ЛИНЕЙНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ С КРУГОВОЙ АЗИМУТАЛЬНОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ И ВСТРОЕННЫМ АНТЕННЫМ КАНАЛОМ СТАНДАРТА ГЛОНАСС/GPS
LINEAR VERTICAL ARRAY OF VERTICAL POLARIZATION WITH CIRCULAR AZIMUTH PATTERN AND BUILT-IN ANTENNA CHANNEL OF GLONASS/GPS STANDARD

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот, а именно к приемопередающим антеннам с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости, предназначенным для излучения/приема волн вертикальной поляризации, и может быть использовано в системах активной радиолокации с активным ответом, в частности, станциях автоматического зависимого наблюдения-вещания (АЗН-В) и многопозиционных системах наблюдения (МПСН), оснащенных с целью синхронизации и определения собственного местоположения навигационным оборудованием стандарта ГЛОНАСС/GPS.
Известны линейные антенные решетки с ненаправленной и слабонаправленной азимутальной диаграммой направленности (ДН) при аксиальной поляризации (см. Инденбом М.В. Антенные решетки подвижных обзорных РЛС. Теория, расчет, конструкции. М., «Радиотехника», 2015, с. 307-315), которые состоят из распределительной системы и пластинчатых излучателей, размещенных на единой печатной плате. Неравномерность ненаправленной азимутальной ДН, обеспечиваемая данной конструкцией, не превышает 1,3 дБ. Недостатком такого построения является увеличение поперечного (горизонтального) размера антенны, а также сложность реализации пластинчатого излучателя и необходимость его настройки для достижения указанной неравномерности азимутальной ДН.
Наиболее близким аналогом, выделенным авторами в качестве прототипа заявляемого устройства, является всенаправленная антенная система со специальной диаграммой направленности (патент №2639563 С1 (RU), опубл. 21.12.2017, бюл. №36), которая состоит из вертикальной опоры в виде полой металлической колонны поперечным размером 0,18…0,25λ, (где λ - длина волны) с установленными на ней двумя рефлекторами, непрерывными вдоль всей длины полой металлической колонны, распределительной системы, помещенной внутри колонны и представляющей собой N-канальный делитель мощности (N - целое число), выходы которого соединены с входами N одинаковых делителей мощности пополам, и N одинаковых излучателей, установленных вдоль колонны на расстоянии около λ/2, каждый из которых выполнен на основе двух конформных полосковых излучателей, соединенных через согласователи с выходами делителя мощности пополам, при этом конформные полосковые излучатели имеют прямоугольные вырезы на боковых гранях и размещены на противоположных сторонах колонны, повторяя форму ее поперечного сечения. Такая конструкция позволяет обеспечить возможность формирования ДН специальной формы в вертикальной плоскости, в частности косекансной, с неравномерностью ДН в горизонтальной плоскости не более 0,3 дБ при отсутствии настройки. Для увеличения уровня косекансной ДН в области углов, близких к оси металлической колонны, в верхней части антенной системы устанавливается дополнительный излучатель круговой поляризации, а число каналов N-канального делителя мощности увеличивается до N+1.
Однако недостатком данного изобретения является проблематичность увеличения рабочего диапазона частот без снижения коэффициента усиления антенной системы, что связано с необходимостью выравнивания длин каналов N-канального делителя с точностью ±λ/2, позволяющей реализовать фазовое распределение, требуемое для формирования заданной угломестной ДН во всем рабочем диапазоне частот. При этом предполагается увеличение длин большинства каналов, что при значениях N>10 приведет к существенному увеличению поперечного размера делителя, и его размещение внутри вертикальной опоры, максимальный поперечный размер которой ограничен величиной λ/4, окажется невозможным. Решение данной проблемы требует миниатюризации топологии N-канального делителя мощности с соответствующим ухудшением КПД распределительной системы, а следовательно и коэффициента усиления антенны.
Кроме того, при таком построении ограничена возможность расширения рабочего сектора ДН в угломестной плоскости без возникновения дифракционных лепестков, поскольку расположение излучающих элементов вдоль опоры антенной системы с шагом менее λ/2 затруднительно, что определяется вертикальным размером конформного полоскового излучателя. Поэтому в верхней части антенной системы для повышения уровня косекансной ДН под углами места, близкими к вертикальной оси опоры, требуется установка дополнительного излучателя круговой поляризации, что приводит к усложнению N-канального делителя мощности из-за необходимости увеличения числа его каналов до N+1 и проблематичности встраивания в конструкцию антенного канала стандарта ГЛОНАСС/GPS. Также следует отметить, что уменьшение вертикального размера конформного полоскового излучателя, достигаемое за счет увеличения его электрической длины с помощью прямоугольных вырезов на его боковых гранях, приводит к росту уровня кроссполяризационной составляющей ДН.
Целью изобретения является увеличение рабочего диапазона частот с сохранением высокого коэффициента усиления, расширение рабочего сектора в угломестной плоскости при формировании ДН специальной формы, в частности косекансной, и создание конструктива, обеспечивающего встраивание антенного канала стандарта ГЛОНАСС/GPS.
Поставленная цель достигается за счет того, что линейная антенная решетка вертикальной поляризации с круговой азимутальной диаграммой направленности, включает вертикальную опору в виде полого металлического цилиндра с металлическим экраном в верхней торцевой части, распределительную систему, представляющую собой N-канальный делитель мощности (N - целое число), выходы которого соединены с входами N одинаковых делителей мощности пополам, и N одинаковых излучателей, размещенных вдоль осевой линии опоры, каждый из которых состоит из двух конформных щелевых излучателей, развернутых на 180° друг относительно друга в горизонтальной плоскости, и синфазно возбуждаемых делителем мощности пополам, при этом распределительная система и излучатели выполнены на основе конформной симметричной полосковой линии в виде многослойной структуры, состоящей из пяти нечетных токопроводящих слоев и четырех четных диэлектрических слоев, которые концентрично сопряжены с внешней поверхностью опоры, образуя топологию полосковых проводников и экраны N-канального делителя мощности, делителей мощности пополам и конформных излучателей, и освобождая верхнюю и внутреннюю части опоры для встраивания антенного канала стандарта ГЛОНАСС/GPS, а соединение выходов N-канального делителя мощности с соответствующими входами делителей пополам выполнено в виде N токопроводящих перемычек и N токопроводящих П-образных экранов, проходящих насквозь через все слои структуры, и образующих совместно отрезки симметричной полосковой линии.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется при помощи графического материала, где:
- на фиг. 1 изображена структурная схема линейной антенной решетки;
- на фиг. 2а показан общий вид линейной антенной решетки;
- на фиг. 2б показан разнесенный вид конструкции линейной антенной решетки;
- на фиг. 3 показана конструкция конформного щелевого излучателя, возбуждаемого симметричной полосковой линией;
- на фиг. 4 приведена азимутальная диаграмма направленности линейной антенной решетки;
- на фиг. 5 приведена угломестная диаграмма направленности линейной антенной решетки.
На фиг. 1 изображена структурная схема линейной антенной решетки, состоящей из распределительной системы (1), включающей N-канальный делитель мощности (2), выходы которого соединены с входами N одинаковых делителей мощности пополам (3) и N одинаковых излучателей (4), каждый из которых содержит два конформных щелевых излучателя (5), возбуждаемых делителем пополам (3). Выходы N-канального делителя (2), делители пополам (3) и излучатели (4) установлены с шагом S вдоль вертикальной опоры (6), которая также используется для размещения встраиваемого антенного канала (7), состоящего из внешней активной антенны для приема сигналов стандарта ГЛОНАСС/GPS (8) и радиочастотного кабеля (9). Позициями (10) и (11) на фиг. 1 обозначены, соответственно, вход распределительной системы (1) линейной антенной решетки и вход антенного канала (7).
Общий вид линейной антенной решетки, а также разнесенный вид конструкции показаны, соответственно, на фиг. 2а и фиг. 2б, где введены следующие позиционные обозначения: 1 - распределительная система, 2-N-канальный делитель мощности, 3 - делитель мощности пополам, 4 - излучатель, 5 - конформный щелевой излучатель, 6 - вертикальная опора, 7 - встраиваемый антенный канал, 8 - внешняя активная антенна для приема сигналов стандарта ГЛОНАСС/GPS, 9 - радиочастотный кабель, 10 - вход линейной антенной решетки, 11 - вход антенного канала стандарта ГЛОНАСС/GPS, 12 - П-образный экран, 13 - опорный фланец, 14 - верхний экран, 15 - кольцевой делитель мощности, 16 - балластный резистор, 17 - перемычка, 18 - радиопрозрачный обтекатель, 19, 21, 23, 25, 27 - нечетные токопроводящие слои, 20, 22, 24, 26 - четные диэлектрические слои, А - вид опорного фланца с входами (10) и (11), Б - вид фрагмента топологии N-канального делителя (2), В - вид топологии делителя пополам (3), Г - вид соединения выхода N-канального делителя мощности с соответствующим входом делителя пополам (показано в разрезе, позиции 18, 20, 22, 24, 26, 27 скрыты).
Конструкция линейной антенной решетки, состоящей из N одинаковых излучателей (4), запитанных от распределительной системы (1), выполнена на основе многослойной структуры, включающей пять нечетных токопроводящих (19, 21, 23, 25, 27) слоев и четыре четных диэлектрических слоя (20, 22, 24, 26), которые концентрично сопряжены с вертикальной опорой (6), закрепленной на круглом опорном фланце (13), и представляющей собой полый металлический цилиндр с металлическим экраном (14) в верхней торцевой части. Распределительная система (1) состоит из N-канального делителя мощности (2), выходы которого соединены с входами N одинаковых делителей мощности пополам (3). При этом N-канальный делитель (2) и делители пополам (3) реализованы на базе конформной симметричной полосковой линии с экранами, проводниками и диэлектрическим заполнением в виде слоев (19-27), каждый из которых повторяет форму вертикальной опоры (6), и имеет следующее назначение:
-слой (19): внешняя цилиндрическая поверхность опоры (6), одновременно являющаяся внутренним экраном делителя (2);
- слой (21): центральная плата с топологией делителя (2);
- слой (23): общий экран, являющийся одновременно внешним для делителя (2) и внутренним для делителей (3);
- слой (25): центральная плата с топологией делителей (3);
- слой (27): внешний экран делителей (3);
- слой (20): диэлектрическое заполнение между внутренним экраном (19) и центральной платой (21);
- слой (22): диэлектрическое заполнение между центральной платой (21) и общим экраном (23);
- слой (24): диэлектрическое заполнение между общим экраном (23) и центральной платой (25);
- слой (26): диэлектрическое заполнение между центральной платой (25) и внешним экраном (27).
Топология центральной платы (21) представляет собой многоканальную схему деления на основе N-1 кольцевых делителей мощности (15) с балластными резисторами (16), а N полосковых неразвязанных тройников образуют топологию центральной платы (25). Соединение выходов делителя (2) с входами делителей (3), расположенных, соответственно, на центральных платах (21) и (23), осуществляется с помощью межслойных переходов в виде симметричной полосковой линии (см. вид Г), ограниченной П-образным экраном (12), и перемычки (17). При этом П-образный экран (12) расположен между слоями (19) и (27), проходя насквозь через слои (20-26), в которых предусмотрены соответствующие пазы.
Топология щелевых излучателей (5) организована в слое (27), одновременно являющимся внешним экраном делителей (3).
Токопроводящие слои (19, 21, 23, 25, 27) выполнены на базе фольгированного лавсана марки ЛФР-1-35-0,15, ТУ 2296-009-11436290-98, а диэлектрические слои (20, 22, 24, 26) - на базе пенополиэтилена ППЭ-Р(М), ТУ 2244-001-07521647-96.
Вертикальная опора (6) дополнительно используется для установки антенного канала (7), состоящего из внешней активной антенны для приема сигналов стандарта ГЛОНАСС/GPS (8), установленной в верхней торцевой части опоры на экране (14), и радиочастотного кабеля (9), который проходит через внутреннюю часть опоры, соединяя вход (11) с входом антенны (8).
Вход (10) линейной антенной решетки и вход (11) встроенного антенного канала (7) выполнены в виде коаксиальных розеток, расположенных на опорном фланце (13) согласно виду А.
Для защиты от климатических и внешних механических воздействий конструкция устройства размещена под радиопрозрачным обтекателем (18), герметично сопряженным с опорным фланцем (13).
На фиг. 3 показана конструкция конформного щелевого излучателя (5), возбуждаемого симметричной полосковой линией, работающей в режиме холостого хода. Топология излучателя организована в слое (27), топология полосковой линии, являющейся выходом делителя (3), - в слоях (23-27). С целью уменьшения высоты излучателя полосковая линия имеет согласованный поворот на 90°, что позволяет расположить ее разомкнутый отрезок в направлении параллельном щели. При этом высота излучателей обеспечивает возможность их установки вдоль осевой линии вертикальной опоры с шагом около λ/4.
Принцип работы.
Линейная антенная решетка работает следующим образом. Возбуждение N одинаковых излучателей (4) вертикальной поляризации, размещенных с шагом S вдоль осевой линии опоры (6), и образующих линейную антенную решетку, производится от входа (10) через распределительную систему (1), состоящую из N-канального делителя мощности (2), реализующего амплитудно-фазовое распределение, необходимое для формирования требуемой угломестной ДН, и N одинаковых делителей мощности пополам (3), входы которых соединены с выходами делителя (3). Каждый излучатель (4) состоит из двух конформных щелевых излучателей (5), развернутых на 180° друг относительно друга в горизонтальной плоскости, и синфазно возбуждаемых делителем пополам (3), что позволяет сформировать круговую азимутальную ДН. Минимальная неравномерность ДН в азимутальной плоскости обеспечивается при оптимальном выборе длин щелей (около λ/2) конформных излучателей (5). При этом, так же, как и в прототипе, необходимость настройки ДН в азимутальной плоскости отсутствует.
Отличительной особенностью конструкции линейной антенной решетки является то, что распределительная система (1) расположена с внешней стороны вертикальной опоры (6), повторяя ее форму, что позволяет расширить рабочий диапазон частот распределительной системы без ухудшения ее КПД и, соответственно, коэффициента усиления антенны за счет возможности увеличения поперечного размера N-канального делителя мощности (2) при выравнивании длин его каналов более чем в 3 раза по сравнению с аналогичным размером делителя прототипа, размещенного внутри опоры такого же диаметра.
Кроме того, высота излучателей (5) заявляемой линейной антенной решетки позволяет производить их установку вдоль осевой линии вертикальной опоры (6) с шагом около λ/4, что в отличие от прототипа, обеспечивает возможность расширения рабочего сектора в угломестной плоскости при формировании ДН специальной формы, в том числе увеличения уровня косекансной ДН в области углов, близких к осевой линии опоры, без использования в верхней части антенны дополнительного излучателя круговой поляризации, усложняющего конструкцию.
Такое построение линейной антенной решетки позволяет использовать верхнюю и внутреннюю части вертикальной опоры (6) для размещения дополнительных элементов, в частности, внешней активной антенны (8) и радиочастотного кабеля (9) встраиваемого антенного канала стандарта ГЛОНАСС/GPS (7).
Азимутальная ДН линейной антенной решетки, состоящей из шестнадцати излучателей (4), показана на фиг. 4. Неравномерность азимутальной ДН не превышает 0,25 дБ на центральной частоте и 0,8 дБ в рабочем диапазоне, что так же, как и в прототипе, связано с конечным уровнем согласования конформных излучателей (5) и, соответственно, проблематичностью их возбуждения от делителя (3) с одинаковыми амплитудой и фазой во всей полосе рабочих частот.
Угломестная ДН линейной антенной решетки, состоящей из шестнадцати излучателей (4), показана на фиг. 5. В рабочем диапазоне частот ДН имеет следующие характеристики: ширина на уровне минус 3 дБ - не более 10,3°, максимальный уровень боковых лепестков ДН - не более минус 20,4 дБ, уровень ДН в направлении горизонта - минус 3,1 дБ, коэффициент усиления - не менее 8,2 дБ.
Достоверность результатов, представленных на фиг. 4 и фиг. 5, подтверждена электродинамическими расчетами компьютерной модели линейной антенной решетки, разработанной в соответствии со структурной схемой (фиг. 1), в пакете прикладных программ с использованием метода конечных элементов в частотной области, а также положительными результатами испытаний экспериментального образца антенны, изготовленного на предприятии-заявителе.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации предложенного изобретения, является увеличение рабочего диапазона частот с сохранением высокого коэффициента усиления, что позволяет использовать антенную решетку при работе радиолокатора в режимах запроса и ответа, расширение рабочего сектора в угломестной плоскости при формировании диаграммы направленности специальной формы, в частности косекансной (позволяет увеличить зону обзора радиолокатора по углу места), а также наличие встроенного антенного канала стандарта ГЛОНАСС/GPS.