УЗКОНАПРАВЛЕННАЯ ВОЛНОВОДНАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к радиотехнической промышленности, в частности к технике сверхвысоких частот (СВЧ), и может применяться в радиолокационных системах (РЛС) кругового обзора с высоким разрешением по азимуту и дальности.
Известна узконаправленная антенна 3-см диапазона, разработанная НПФ «Микран» (см. Буянов Ю.И., Доценко В.В. и др. Узконаправленная антенна 3-см диапазона для обзорной РЛС с высоким разрешением по дальности // Материалы 10-й Международной Конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, 13-17 сентября 2010, с. 538-539), которая образована из восьми подрешеток в виде линейных вибраторных антенных решеток с последовательным возбуждением, соединенных с входами 8-канального синфазного сумматора, формирующего спадающее амплитудное распределение в горизонтальной плоскости. Сумматор и подрешетки выполнены на основе несимметричной полосковой линии. Для формирования диаграммы направленности (ДН) в вертикальной плоскости подрешетки размещены в продольном рупоре. Основные параметры антенны: рабочая полоса частот: 9280-9580 МГц; ширина ДН на уровне минус 3 дБ: 1° в горизонтальной плоскости, 27° в вертикальной плоскости; максимальный уровень боковых лепестков (УБЛ): минус 20 дБ; длина раскрыва: 1,84 м. Недостатками такого построения являются необходимость ухудшения УБЛ для обеспечения возможности конструктивной реализации устройства, высокий уровень вносимых потерь, а также ограничение допустимой мощности, подводимой к антенне, величиной порядка 10-20 Вт, что обусловлено исполнением сумматора и подрешеток антенны на базе несимметричной полосковой линии.
Наиболее близким аналогом, выделенным в качестве прототипа заявляемого устройства, является антенная система производства компании Тепла (Дания), состоящая из расширяющегося рупора и размещенной в нем линейной волноводной антенной решетки в виде прямоугольного волновода с прорезанными по узкой стенке переменно-наклонными щелями (21 feet High Gain Antenna System. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://manualzz.com/download/35330648. Дата обращения: 10.06.2020). Расширяющийся рупор и волноводно-щелевая решетка расположены в несущем корпусе с радиопрозрачным обтекателем, установленным со стороны излучающего раскрыва рупора. Такая конструкция позволяет сформировать ДН с максимальным УБЛ 28 дБ, шириной на уровне минус 3 дБ в горизонтальной и вертикальной плоскостях не более 0,36° и 11°, соответственно, и коэффициентом усиления не менее 38 дБ. Рабочая полоса частот 9140-9500 МГц. Максимальный уровень средней мощности, подводимой к антенне, составляет 600 Вт. Габариты антенны: 6560×410×637 мм.
Однако недостатком данного технического решения является отклонение углового положения главного луча ДН при изменении рабочей частоты (около 1°/100 МГц), что вызвано последовательным возбуждением щелей линейной волноводно-щелевой решетки и приводит к существенным ограничениям в части расширения полосы излучаемого/принимаемого сигнала для улучшения разрешающей способности РЛС по дальности.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель заключается в создании широкополосной узконаправленной волноводной антенны без частотной зависимости углового положения главного луча ДН с высоким коэффициентом усиления, низким УБЛ и внешними размерами не более габаритов антенны, выделенной в качестве прототипа.
Поставленная задача решена за счет того, что узконаправленная волноводная антенна, состоит из расширяющегося рупора и линейной антенной решетки с параллельным возбуждением, реализованной в виде N-канальной волноводной распределительной системы на основе волноводных тройников и направленных ответвителей, выходы которой соединены с входами N одинаковых излучателей, размещенных в расширяющемся рупоре в продольном направлении, при этом каждый из излучателей содержит волноводный изгиб на 90° в Н-плоскости и волноводный рупор, а линейная антенная решетка выполнена в сборном фрезерованном корпусе, расположенном под расширяющимся рупором параллельно его нижней стенке.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется при помощи графического материала, где:
на фиг. 1 изображен общий вид узконаправленной волноводной антенны, включающей N-канальную волноводную распределительную систему (1) линейной антенной решетки, расширяющийся рупор (2), излучатели (3) линейной антенной решетки, размещенные в рупоре (2) в продольном направлении и радиопрозрачный обтекатель (4), который установлен со стороны излучающего раскрыва рупора (2), вход антенны (5) показан условно;
на фиг. 2 приведен разнесенный вид конструкции линейной антенной решетки, выполненной в сборном фрезерованном корпусе, где введены следующие позиционные обозначения: 1 - N-канальная волноводная распределительная система, 3 - излучатель, 5 - вход, 6 - волноводный рупор, 7 - волноводный изгиб на 90° в Н-плоскости, 8 - волноводный тройник в виде двойного Т-моста, 9 - неразвязанный волноводный тройник, 10 - волноводный направленный ответвитель с Т-щелевым элементом связи, 11-балластная нагрузка, 12 - волноводный изгиб на 90° в Е-плоскости, 13 - трансформатор сечений, 14 - дренажные отверстия;
на фиг. 3 показана конструкция узконаправленной волноводной антенны, состоящая распределительной системы (1) и излучателей (3) линейной антенной решетки, расширяющегося рупора (2), радиопрозрачного обтекателя (4), поляризационного фильтра (15), вход антенны обозначен позицией (5) на виде А. Для обеспечения требуемой жесткости и минимизации массы несущая конструкция выполнена по принципу лонжеронного крыла самолета с использованием таких силовых элементов, как шпангоут (16), стрингер (17) и лонжерон (18), адаптированных под форму антенны. Такой подход в сочетании с современными возможностями прочностных расчетов в САПР позволяет реализовать прочную и легкую конструкцию, обеспечивающую работоспособность антенны при вращении со скоростью 1 об/с и скорости ветра до 30 м/с. Для горизонтирования антенны в верхней части конструкции предусмотрена юстировочная площадка (19). Присоединительный фланец (20) антенны показан на виде А.
Для пояснения принципа работы узконаправленной волноводной антенны рассмотрим назначение ее основных элементов.
N-канальная волноводная распределительная система параллельного типа (1), возбуждающая N одинаковых излучателей (3), предназначена для формирования спадающего амплитудного распределения, обеспечивающего низкий УБЛ при требуемых ширине ДН и размере раскрыва антенны в горизонтальной плоскости. Распределительная система (1) и излучатели (3) образуют линейную антенную решетку с параллельным возбуждением, позволяющую устранить зависимость углового положения главного луча ДН от рабочей частоты. Излучатели (3) выполнены в виде согласованных с окружающим пространством волноводных рупоров (6) линейной поляризации, соединенных с выходами распределительной системы (1) через волноводный изгиб на 90° в Н-плоскости (7), и предназначены для возбуждения расширяющегося рупора (2), формирующего ДН в вертикальной плоскости. Поляризационный фильтр (15), опционально применяемый в составе антенны, обеспечивает возможность ее работы в режиме круговой поляризации. Для защиты от внешних воздействующих факторов линейная антенная решетка, расширяющийся рупор (2) и поляризационный фильтр (15) размещены в несущем корпусе с радиопрозрачным обтекателем (4), выполненном на базе композиционных материалов и установленным со стороны излучающего раскрыва рупора (2). Вход антенны выполнен в виде прямоугольного волновода стандартного сечения.
Отличительной особенностью конструкции узконаправленной волноводной антенны является то, что линейная антенная решетка выполнена в сборном фрезерованном корпусе, который состоит из двух половин - алюминиевых плит, сопрягаемых по линии нулевых токов волноводной топологии. При этом корпус линейной решетки расположен под расширяющимся рупором параллельно его нижней стенке, что позволяет обеспечить требуемые характеристики антенны без увеличения ее габаритов.
На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация узконаправленной волноводной антенны на базе 256-элементной линейной решетки и изготовлен ее опытный образец, результаты испытаний которого подтвердили возможность практической реализации предлагаемой полезной модели. Антенна имеет следующие характеристики: рабочая полоса частот: 9000-9450 МГц; ширина ДН на уровне минус 3 дБ, не более: 0,35° в горизонтальной плоскости, 11° в вертикальной плоскости; максимальный уровень боковых лепестков (УБЛ): минус 25 дБ; коэффициент усиления не менее 38 дБ; габариты антенны: не более габаритов прототипа.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемой полезной модели, является расширение рабочей полосы частот и устранение частотной зависимости углового положения главного луча ДН без увеличения габаритов антенны, что позволяет улучшить разрешающую способность РЛС по дальности за счет возможности расширения полосы излучаемого/принимаемого сигнала.