МАЛОГАБАРИТНАЯ ШИРОКОПОЛОСНАЯ ВОЛНОВОДНО-РУПОРНАЯ АНТЕННА И КОНСТРУКЦИЯ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ НА ЕЕ БАЗЕ
SMALL-SIZE WIDEBAND WAVEGUIDE-HORN ANTENNA AND ANTENNA ARRAY STRUCTURE BASED THEREON

Предлагаемое изобретение относится к радиолокации, в частности к волноводно-рупорным антенным элементам, используемым в зеркальных антеннах и антенных решетах (АР).
Тенденцией развития современных РЛС обнаружения и наведения является комбинированное использование методов активной и пассивной радиолокации, соответственно расширение диапазона рабочих частот антенных устройств. Особенно актуально это относится к РЛС, построенным на базе фазированных антенных решеток АР, излучающими элементами которых являются волноводные рупоры. Примером построения широкополосных волноводных рупоров являются устройства [1, 2, 3].
Волноводный рупор [1] является элементом АР, работающим в полосе частот 3-6 ГГц, представляет прямоугольный волновод, закрытый с одного конца короткозамкнутой проводящей заглушкой. По центру широких стенок волновода и ортогонально им установлены не соприкасающиеся друг с другом верхний и нижний проводящие гребни. Каждый гребень представляет плоскую трехступенчатую структуру, расходящуюся в сторону направления излучения, которая не выходит за пределы волновода и не соприкасается с короткозамкнутой заглушкой. Ширина гребней меньше половины широкой стенки волновода. Ступени гребня либо параллельны, либо отрогональны широкой стенке волновода. Вторая и третья ступень гребней (счет номера ступени идет от заглушки волновода) расположены симметрично относительно продольной оси волновода и представляют двухступенчатый трансформатор, согласующий импеданс свободного пространства с выходом первой ступени, через которую вводится/выводится сигнал волновода. Первые секции гребней являются частью волноводного перехода к полосковой или коаксиальной линии связи с приемопередатчиком, торцы которых расположены на разных расстояниях от заглушки и не соединяются с ней. В гребнях первой ступени имеются пазы, симметрично расположенные относительно продольной оси волновода, открытые части пазов обращены друг к другу, длина пазов не превышает длину первой ступени, глубина пазов обеспечивает прохождение Г-образного зонда от полосковой или коаксиальной линии связи, установленной на заглушке, к нижнему гребню в изоляции. При этом часть зонда проходит через щель верхнего гребня параллельно продольной оси волновода, вторая часть зонда проходит ортогонально продольной оси волновода через первую и вторую щель с заглублением относительно торца нижнего гребня, равным ширине зонда. В заглушке имеется окно, через которое выводится горизонтальная часть зонда на соединение с полосковой линией связи, либо кабель. В случае связи антенны с приемопередатчиком через коаксиальную линию связи экран коаксиального кабеля соединен с внешней стенкой заглушки и заканчивается за внутренней стенкой заглушки, продолжением центральной жилы коаксиального кабеля является Г-образный зонд, связывающий коаксиальную линию с нижним гребнем.
Достоинством волноводного рупора являются его малые продольные и поперечные габариты, обеспечивающие его работу в составе АР. Однако рабочий диапазон частот перекрывает одну октаву, что не достаточно для применения в пассивном канале РЛС обнаружения и наведения.
Вторым примером широкополосного рупора является волноводный рупор [2], в котором на внутренней поверхности прямоугольного рупора установлена пара симметричных проводящих гребней. Плоскость, в которой расположены гребни, ортогональна верхним и нижним стенкам рупора, проходит через продольную ось рупора. Основания гребней - линейные отрезки, расположенные на внутренней, проводящей стенке рупора, стороны гребней, обращенные друг к другу, расходятся от горловины рупора в сторону раскрыва по гладкой кривой линии. Снаружи рупора над каждым гребнем крепятся дополнительные проводящие треугольные гребни, ортогонально соответствующей наружной стенке. Дополнительные гребни имеют одинаковые размеры. Одна боковая сторона дополнительного гребня находится в плоскости раскрыва рупора и ортогональна его продольной оси, вторая боковая сторона соединяет вершину дополнительного гребня с его основанием. Длина основания дополнительного гребня меньше длины линейной части основного гребня. На всей криволинейной поверхности основных гребней или его части, близкой к горловине, имеются борозды глубиною до четверти длины волны, в борозду встроена вставка, обращенная острием к противоположному гребню. Кроме того, боковые поверхности гребней облицованы ферромагнитными материалами с относительной магнитной проницаемостью более 1. Коаксиальный ввод/вывод СВЧ сигнала в рупор производится через волноводно-коаксиальный переход, в котором между коаксиальным вводом/выводом СВЧ сигнала и заглушенной частью волновода введен ферромагнитый материал.
Достоинством рупора [2] является широкий диапазон рабочих частот 1-18 ГГц. Однако наличие дополнительных гребней, снижающих нижнюю границу рабочих частот, не позволяет использовать рупор в составе АР, где расстояние между рупорами должно быть близко к половине минимальной рабочей длины волны.
В качестве широкополосного рупора, принятого в качестве прототипа, является волноводный рупор [3], который используется в составе моноимпульсной антенной системы и обеспечивает ее работу в диапазоне частот от 3,6 до 15 ГГц. Каждый прямоугольный рупор имеет излучающий и запитывающий, не заглушенный конец. Возбуждение волновода СВЧ сигналом приемопередатчика производится через волноводно-кабельный переход, установленный на широкой стенке волновода вблизи торца запитывающего конца волновода. В волноводе ортогонально одной из широких стенок, параллельно его продольной оси находится одиночный проводящий гребень, представляющий трехступенчатый трансформатор импеданса. Первая секция согласует коаксиальный ввод антенны с волноводом, вторая и третья секции согласуют импеданс волноводной секции с рупором. В рупоре, в отличие от волновода, имеются два гребня, выходящие за раскрыв рупора, расстояние между концами гребней за раскрывом рупора превышает вертикальный размер раскрыва рупора, линия, соединяющая концы гребней за пределами рупора, ортогональна продольной оси волновода. Нижний гребень рупора так же является продолжением нижнего гребня волновода, верхний гребень находится в плоскости нижнего гребня, ортогонален верхней стенке рупора и закреплен на ней. Форма гребней, обращенных друг к другу, описывается экспоненциальным законом. Между гребнями в рупоре и за его пределами имеется зазор, который увеличивается в сторону излучения и обеспечивает согласование импеданса прямоугольного рупора со свободным пространством. Экспоненциальная сторона верхнего гребня начинается от основания гребня. Центральная жила волноводно-коаксиального перехода соединена с хвостовой частью нижнего гребня.
Достоинством волноводного рупора [3] является широкая полоса рабочих частот от 3,6 ГГц до 15 ГГц, обеспечиваемая применением проводящих расходящихся гребней, выходящих за раскрыв рупора.
Недостатком рупора является существенное превышение расстояния между концами гребней, находящихся за раскрывом рупора, половины минимальной рабочей длины волны СВЧ сигнала, что не позволяет использовать его в составе АР, где это требование является обязательным.
Целью предлагаемого изобретения является снижение габаритно-массовых характеристик широкополосного волноводного рупора, обеспечивающих его работу в составе АР.
Поставленная цель реализуется тем, что в широкополосном волноводном рупоре [3] за счет исключения согласующего трансформатора, изменения конструкции подвода СВЧ сигнала к нижнему гребню и формы гребней, обращенных друг к другу, обеспечивается снижение продольной длины рупора и расстояния между концами гребней, выходящими за пределы рупора.
Поставленная цель достигается тем, что широкополосный рупор [3], содержащий открытый волновод, один конец которого назван излучающим, а второй - хвостовым, верхний и нижний проводящие гребни, установленные внутри волновода, основания гребней закреплены на верхних и нижних стенках волновода и имеют с ними электрический контакт, гребни находятся в одной плоскости, ортогональны верхним и нижним стенкам волновода, между гребнями имеется зазор по всей длине, часть гребней выходит за излучающий конец волновода, линия, соединяющая концы гребней, выходящих за излучающую часть волновода, ортогональна продольной оси волновода, ширина гребней менее половины ширины волновода, хвостовая часть нижнего гребня электрически соединена с центральной жилой кабеля связи с приемопередатчиком, отличается тем, что за хвостовой частью волновода введен проводящий каркас, состоящий из верхнего и нижнего плоского основания и ортогональной им задней стенки, основания каркаса являются продолжением верхней и нижней стенок волновода, ширина задней стенки соответствует ширине оснований, верхний и нижний гребни находятся в плоскости, проходящей через продольную ось волновода, хвостовые части верхнего и нижнего гребней выходят из волновода, их основания крепятся на верхних и нижних стенках каркаса соответственно, стороны гребней, обращенные друг к другу, симметричны относительно продольной оси волновода, хвостовая часть верхнего гребня закреплена и электрически связана с задней стенкой каркаса, между хвостовой частью нижнего гребня и задней стенкой каркаса имеется зазор, между нижней стенкой каркаса и хвостовой частью нижнего гребня имеется прямоугольный зазор, длина которого вдоль продольной оси волновода равна четверти минимальной длины волны сигнала, а высота - половине расстояния от нижней стенки каркаса до верхней границы нижнего гребня, волноводные и хвостовые части гребней, обращенные друг к другу, параллельны основанию, части гребней, выходящие за излучающий конец волновода, имеют вогнутые и выпуклые участки, при этом вогнутая часть наиболее близко расположена к излучающему концу волновода, является частью окружности, радиус которой находится на продольной оси волновода, выпуклая часть гребня соединяет конец гребня на основании с вогнутой частью, в задней стенке каркаса напротив торца хвостовой части нижнего гребня имеется отверстие для ввода через изолятор центральной жилы кабеля связи с приемопередатчиком, экран кабеля закрепляется на задней стенке каркаса и имеет с ним электрический контакт, центральная жила кабеля, прошедшая изолятор на задней стенке каркаса, соединяется с центром торца хвостовой части нижнего гребня.
Антенная решетка на базе предлагаемых рупоров содержит столбцы, в которых рупоры разнесены друг от друга на расстояние, близкое к половине минимальной длины волны сигнала, отличается тем. что рупоры столбцов расположены друг под другом таким образом, что нижние стороны волновода и каркаса верхнего рупора являются верхними сторонами волновода и каркаса, находящегося под ним рупора, пара нижних и верхних гребней, входящих в рупоры, расположенные друг под другом, выполняются как единая конструкция, закрепленная на общей стенке волновода и каркаса.
Сущность изобретения поясняется дальнейшим описанием со ссылками на следующие чертежи.
На фиг.1 представлена геометрия одиночного широкополосного рупора.
На фиг.2 представлена геометрия столбца широкополосной антенной решетки.
На фиг.3 представлена геометрия пары нижних и верхних гребней, входящих в соседние рупоры столбца антенной решетки
На фиг.4 представлены результаты измерения КСВН рупора в диапазоне рабочих частот.
На фиг.1, 2 и 3 приняты следующие обозначения:
1 - Волновод;
2 - Верхний гребень;
3 - Нижний гребень;
4 - Выпуклая часть гребня;
5 - Вогнутая часть гребня;
6 - Каркас;
7 - Отверстие в задней стенке каркаса;
8 - Кабель;
9 - Этажерочная конструкция столбца волноводов и каркаса антенной решетки;
10 - Единая конструкция пары нижних и верхних гребней, входящих в соседние рупоры;
R - радиус окружности вогнутой части гребня.
На фиг.4 приняты следующие обозначения:
КСВН - коэффициент стоячей волны по напряжению;
F - значение частоты, ГГц.
На фиг.1 внутри волновода 1 установлены верхний 2 и нижний 3 проводящие гребни, основания гребней 2 и 3 закреплены на верхних и нижних стенках волновода 1 и имеют с ними электрический контакт, гребни 2 и 3 находятся в одной плоскости с продольной осью волновода 1, ортогональны его верхним и нижним стенкам, между гребнями 2 и 3 имеется зазор по всей длине, часть гребней выходит за излучающий конец волновода 1, линия, соединяющая концы гребней 2 и 3, выходящих за излучающую часть волновода 1, ортогональна продольной оси волновода 1, ширина гребней 2 и 3 менее половины ширины волновода 1, хвостовая часть волновода 1 соединяется с верхней и нижней стенками проводящего каркаса 6, состоящего из верхнего и нижнего плоского основания и ортогональной им задней стенки, основания каркаса 6 являются продолжением верхней и нижней стенок волновода 1, ширина задней стенки каркаса 6 соответствует ширине оснований, стороны гребней 2 и 3, обращенные друг к другу, симметричны относительно продольной оси волновода 1, между хвостовой частью нижнего гребня 3 и задней стенкой каркаса 6 имеется зазор, между нижней стенкой каркаса 6 и хвостовой частью нижнего гребня 3 имеется прямоугольный зазор, длина которого вдоль продольной оси волновода равна четвери минимальной длины волны сигнала, а высота зазора - половине расстояния от нижней стенки каркаса до верхней границы нижнего гребня 3, торец хвостовой части верхнего гребня 2 закреплен на задней стенке каркаса 6 и электрически соединен с ней, волноводные и хвостовые части гребней 2 и 3, обращенные друг к другу, параллельны основанию, части гребней 2 и 3, выходящие за излучающий конец волновода 1, имеют вогнутые 5 и выпуклые 4 участки, при этом вогнутая часть 5 гребней 2 и 3, наиболее близко расположенная к излучающему концу волновода 1, является частью окружности, радиус которой находится на продольной оси волновода 1, выпуклая часть 4 гребней 2 и 3 соединяет его конец на основании с вогнутой частью 5, в задней стенке каркаса 6 напротив торца хвостовой части нижнего гребня 3 имеется отверстие 7 для ввода через изолятор центральной жилы кабеля связи 8 с приемопередатчиком, экран кабеля связи 8 закрепляется на задней стенке каркаса 6, имеет с ним электрический контакт и не выходит за его пределы, центральная жила кабеля связи 8 соединяется с центром торца хвостовой части нижнего гребня 3.
На фиг.2 волноводы 1 и каркасы 6 одиночных рупоров объединены в этажерочную конструкцию 9, в которой нижние стороны верхнего волновода и каркаса верхнего рупора являются верхними сторонами волновода и каркаса находящегося под ним рупора, при этом верхний 2 и нижний 3 гребни крайних рупоров столбца антенной решетки исполняются и устанавливаются индивидуально, а пары нижних и верхних гребней, входящих в соседние рупоры, расположенные друг под другом, выполняются как единая конструкция 10 (фиг.3), закрепленная на общей стенке волноводов 1 и каркасов 6.
Работа рупора происходит в следующей последовательности. Сигнал возбуждения одиночного рупора (фиг.1) приходит от приемопередатчика по кабелю 8. Экран кабеля 8 электрически соединен и закреплен на проводящем корпусе 6. Центральная жила кабеля 8 в изоляции через отверстие в корпусе 6 электрически соединяется с центром торца хвостовой части нижнего проводящего гребня 3. При наличии СВЧ сигнала приемопередатчика электромагнитная волна возбуждается в волноводе 1 и распространяется через волновод 1 в сторону расходящихся гребней 2 и 3. Зазоры между хвостовой частью нижнего гребня и корпусом обеспечивают высокий импеданс между точкой ввода СВЧ сигнала и стенкой каркаса, соответственно допустимое значение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) со стороны приемопередатчика в рабочем диапазоне частот. Гребни 2 и 3 внутри волновода 1 и за его раскрывом увеличивают рабочий диапазон частот рупора, вогнутая часть гребней позволяет уменьшить продольный размер рупора до 1,5λ (где λ - минимальная длина волны СВЧ сигнала). Экспериментальная зависимость КСВН в волноводном рупоре в диапазоне рабочих частот 2-20 ГГц не превышает 2,5 и приведена на фиг.4.
Конструкция столбца АР на базе предлагаемого широкополосного рупора приведена на фиг.2. Из технологических соображений, обеспечивающих простоту изготовления, волноводные части 1 и корпуса 6 рупоров выполняются как этажерочная конструкция 9, нижний 3 и верхний 2 гребни рупоров, расположенных друг над другом, выполняются как единая конструкция 10. Более детально форма спаренной конструкции гребней 10 приведена на фиг.3.
Техническим преимуществом предлагаемого широкополосного рупора и антенной решетки является снижение продольного размера рупора, соответственно антенной решетки, до 1,5 минимальных длин волны сигнала. Кроме того, конструкция рупора и АР обеспечивают снижение массы за счет уменьшения размера боковой стенки волновода, упрощения технологии изготовления и настройки за счет открытого доступа к элементам рупора, находящимся в каркасе.
Изготовление и испытания рупора и антенной решетки подтвердили их работоспособность в широком диапазоне рабочих частот.
Все элементы, входящие в широкополосный волноводный рупор и АР, могут быть изготовлены из алюминия по существующей технологии, известной в радиопромышленности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент США №5359339 от 25.10.94. "Broadband short-horn antenna"
2. Патент США №7161550 от 9.01.07. "Dual and quad-ridged horn antenna with improved antenna pattern characteristics"
3. Патент США №5406298 от 11/04/95 "Small wideband passive/active antenna"