Волноводный аналог вибраторной антенной решетки
WAVEGUIDE ANALOGUE OF DIPOLE ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для отработки конструкции вибраторных излучателей в процессе проектирования фазированных антенных решеток (ФАР).
Известен волноводный аналог, предназначенный для исследования согласования вибраторных излучателей в составе фазированной антенной решетки с треугольной сеткой расположения излучателей.
Это устройство представляет собой прямоугольный волновод, один торец которого с помощью плавного перехода соединен с прибором для измерения коэффициента стоячей волны (КСВ), а второй торец замкнут металлическим поршнем, над которым, как над проводящим экраном, размещены несколько вибраторных излучателей решетки. Для обеспечения полного моделирования антенной решетки с треугольной сеткой расположения излучателей на стенках волновода, параллельных H-плоскости электромагнитного поля, установлены специальные излучатели, выполненные в виде четвертьволновых штырей с подключенными к ним коаксиальными линиями. Каждая коаксиальная линия содержит два короткозамкнутых шлейфа, которые предназначены для создания в точке возбуждения четвертьволнового штыря такого же входного сопротивления, какое имеется в серединах вибраторов решетки.
Недостатком известного устройства является его относительная узкополосность, обусловленная тем, что точки подключения шлейфов к коаксиальным линиям отстоят на
и
относительно точки возбуждения четвертьволнового штыря, в то время как в реальной конструкции вибраторного излучателя ФАР один из шлейфов подключен непосредственно в точке возбуждения вибратора, а второй - на расстоянии λ/4 от этой точки. Тем самым шлейфы штырьевых излучателей волноводного аналога оказываются подключенными на расстоянии λ/2 от их истинных положений, что позволяет точно имитировать входное сопротивление вибратора на некоторой частоте. Однако при работе в полосе частот эквивалентность входных сопротивлений вибратора и специального излучателя нарушается вследствие изменения расстояния (в долях длины волны).
Целью настоящего изобретения является устранение указанного недостатка и расширение полосы частот, в которой обеспечивается моделирование антенной решетки.
Устройство предлагаемого волноводного аналога показано на чертеже, где:
на фиг.1 изображен общий вид волноводного аналога;
на фиг.2 - поперечный разрез волноводного аналога по сечению А-А на фиг.1;
на фиг.3 - устройство четвертьволнового излучателя.
Волноводный аналог (см. фиг.1) состоит из прямоугольного волновода 1, который с помощью плавного перехода 2 на стандартное волноводное сечение соединен с прибором 3 для измерения КСВ. В волноводе 1 находится поршень 4, в котором закреплен вибраторный излучатель 5, возбужденный жестким коаксиальным фидером 6. Симметрирование фидера 6 осуществляется щелью, прорезанной во внешнем проводнике коаксиала на глубину четверти длины волны от точки возбуждения вибратора 5. Фидер 6 одновременно служит устройством крепления, обеспечивающим требуемое расстояние от плеч вибратора 5 до поверхности поршня 4.
Непосредственно к стенкам волновода 1 прикреплены "пассивные" излучатели 7, каждый из которых представляет собой часть вибратора 5, оказавшуюся внутри волновода 1 при разрезании вибратора стенками волновода в Е-плоскости электромагнитного поля (см. фиг.2).
К стенкам волновода 1 примыкают также четвертьволновые штырьевые излучатели 8.
Излучатель 8 (см. фиг.3) представляет собой конструкцию, полученную в результате разрезания вибратора 5 плоскостью, проходящей через центр вибратора и совпадающей с Н-плоскостью электромагнитного поля. При этом внутри волновода 1 присутствует четвертьволновый штырь, имитирующий плечо вибратора 5, и прикрепленный к нему полуцилиндрический металлический проводник 9, форма и ориентация которого совпадают с половиной внешнего проводника жесткого коаксиального фидера 6. Проводник 9 контактирует с металлической стенкой волновода 1 на всем его протяжении, за исключением участка симметрирующей щели, где расстояние от кромки проводника 9 до стенки волновода 1 равно половине ширины симметрирующей щели.
Возбуждение излучателя 8 осуществляется фидером 10, расположенным снаружи волновода 1. Внешний проводник фидера 10 присоединен к стенке волновода 1, а внутренний проводник через отверстие в стенке проходит внутрь волноводного аналога и подключен к излучателю 8. К коаксиальному фидеру 10 подключен короткозамкнутый шлейф 11 в точке, отстоящей на расстоянии λ/4 от точки возбуждения излучателя 8.
Концы коаксиальных фидеров 10, также как и фидер 6 вибратора 5, нагружены на согласованные сопротивления 12.
Электромагнитная волна, возбуждаемая прибором 3, проходит через плавный переход 2 и без изменения своей структуры попадает в волновод 1. Распространяясь в волноводе 1, волна падает на систему излучателей 5, 7 и 8, которые в совокупности с поршнем 4 представляют собой фрагмент антенной решетки, образованный путем разрезания ее плоскостями, перпендикулярными проводящему экрану. Многократные зеркальные отображения излучателей в стенках волновода 1 приводят к созданию условий, аналогичных условиям работы излучателей в составе антенной решетки, поэтому отраженная электромагнитная волна внутри волноводного аналога имеет ту же величину, что и в реальной антенной решетке.
Рассмотрим работу излучателей 5, 7 и 8 в отдельности. Конструкция вибратора 5 в точности соответствует устройству реального излучателя антенной решетки. Наличие щелевого симметрирующего устройства эквивалентно включению в схему возбуждения вибратора двух короткозамкнутых шлейфов. Один из них образован щелью и подключен непосредственно в точке возбуждения вибратора, второй находится внутри коаксиального фидера и подключен на расстоянии λ/4 от точки возбуждения вибратора (см. Иванова Т.Г. Стериополо Е.А. "Эквивалентная схема и расчет щелевого симметрирующего устройства", Известия вузов, Радиоэлектроника, №5, 1976 г.) Реактивное сопротивление, создаваемое симметрирующим устройством, существенно влияет на согласование вибраторного излучателя в составе ФАР, поэтому его особенности должны учитываться при создании волноводного аналога.
"Пассивные" излучатели 7 образуются разрезанием вибратора 5 в Е-плоскости, при этом расположенная в плоскости сечения металлическая стенка волновода 1 полностью замыкает излучатель, и его входное сопротивление равно нулю независимо от схемы возбуждения. Это обстоятельство позволило исключить фидеры излучателей 7 из состава волноводного аналога.
Излучатель 8 представляет собой разрез вибратора 5 в Н-плоскости. Вибратор 5 и внешний проводник его фидера симметричны относительно этой плоскости, поэтому наличие металлической стенки волновода 1 в плоскости разреза не нарушает характеристик излучения вибратора и работу внешнего шлейфа, образованного щелью. Однако питающий фидер вибратора, так же как внутренний шлейф симметрирующего устройства, в этом случае замыкаются стенкой волновода на всем своем протяжении и тем самым выключаются из схемы возбуждения вибратора. Для соблюдения эквивалентности излучателя 8 вибратору 5 служит фидер 10 с включенным в него на расстоянии λ/4 от точки возбуждения излучателя 8 короткозамкнутым шлейфом 11, который имитирует влияние внутреннего шлейфа на работу вибраторного излучателя. При этом следует учитывать, что входное сопротивление излучателя 8 вдвое меньше, чем у полного вибратора 5, поэтому волновые сопротивления фидера 10 и шлейфа 11 должны быть также вдвое меньше соответствующих волновых сопротивлений элементов реального вибратора 5.
Таким образом, предлагаемая конструкция волноводного аналога полностью моделирует работу излучателей антенной решетки с учетом частотной зависимости их входного сопротивления, что существенно расширяет полосу частот, в которой может отрабатываться согласование решетки.
Внедрение предлагаемого изобретения позволит в 2-3 раза сократить затраты на изготовление макетов и их исследование в процессе проектирования антенной решетки, так как вместо изготовления двух-трех волноводных аналогов, рассчитанных для работы в узких участках требуемой частотной полосы, достаточно изготовить один макет, перекрывающий всю рабочую полосу ФАР. Предлагаемый волноводный аналог может служить также устройством для массовой заводской проверки характеристик реальных излучателей при изготовлении антенной решетки. Поскольку количество излучателей в ФАР может составлять несколько тысяч, использование волноводного аналога обеспечивает в этом случае значительное (в 2-3 раза) уменьшение трудоемкости проверочных работ.