ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнике и может использоваться в СВЧ антенной технике в составе фазированных антенных решеток, использующих моноимпульсный метод пеленгации.
Известна статья «Волноводная распределительная система бортовой антенны с электронным управлением лучом», авт. Синани А.И., Позднякова Р.Д., Митин В.Α., «Антенны», вып.6(61), 2002 г.
В этой бортовой антенне используется волноводная распределительная система (ВРС) строчно-столбцового типа, в которой имеется четыре строчно-столбцовых делителя, каждый из которых разветвляет СВЧ-энергию в одном из квадрантов апертуры, и СВЧ-сумматор, запитывающий четыре упомянутые делителя с требуемыми для формирования суммарно-разностных диаграмм направленности фазовыми соотношениями.
Недостатком этого технического решения является высокий уровень боковых лепестков разностных диаграмм направленности, определяемый примененным способом формирования амплитудного распределения в апертуре антенны (ВРС формирует в раскрыве амплитудное распределение, спадающее от центра к краям, оптимальное для суммарного канала, в то же время являющееся неоптимальным для разностных каналов [«Теория синтеза антенн», авт. Б.М. Минкович, В.П. Яковлев, изд. «Советское радио», Москва, 1969 г.]).
Известна фазированная антенная решетка, состоящая из 4К панелей излучателей, 4К блоков фазовращателей, 4К линеек волноводной распределительной системы и главного распределителя в составе СВЧ-сумматора, имеющего четыре выхода и один суммарный и два разностных входа, четырех линеек направленных ответвителей, каждая из которых имеет 2К выходов, и 4К согласованных нагрузок, причем N входов каждой из К панелей излучателей соединены с соответствующими N выходами каждого из К блока фазовращателей, N входов каждого из которых присоединены к соответствующим N выходам каждой из К линеек волноводной распределительной системы, вход каждой из К линеек волноводной распределительной системы соединен с соответствующими К выходами линеек направленных ответвителей главного распределителя, вход каждой из четырех линеек направленных ответвителей соединен с соответствующим выходом СВЧ-сумматора, причем по первому разностному входу формируется разностная диаграмма направленности в плоскости ориентации главного распределителя, а по второму разностному входу формируется разностная диаграмма направленности в плоскости линеек волноводной распределительной системы, при этом в одни К выходов линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия ответвляется, а в другие К выходов линеек направленных ответвителей СВЧ-энергия не поступает. В главный распределитель введены четыре дополнительные линейки направленных ответвителей, имеющих 2К выходов в каждой, 4К+2 фазирующие секции, суммирующее устройство и направленный ответвитель, причем разностный вход СВЧ-сумматора, по которому формировалась разностная диаграмма направленности в плоскости главного распределителя, соединен с выходом фазирующей секции, вход которой подключен к одному из выходов направленного ответвителя, второй выход которого соединен с входом фазирующей секции, выход которой подключен к входу суммирующего устройства, а вход направленного ответвителя становится вторым разностным входом, по которому формируется разностная диаграмма направленности фазированной антенной решетки в плоскости ориентации главного распределителя, при этом каждый из четырех выходов суммирующего устройства соединен с соответствующими входами дополнительных линеек направленных ответвителей, а К выходов каждой из дополнительных линеек направленных ответвителей, на которые не поступает СВЧ-сигнал, соединены с К согласованными нагрузками, а другие К выходов дополнительных линеек направленных ответвителей подключены к фазирующим секциям, выходы которых, в свою очередь, соединены с соответствующими К выходами линеек направленных ответвителей главного распределителя, что в совокупности обеспечивает снижение уровня боковых лепестков разностной ДН в плоскости расположения главного распределителя на 10-15дБ [RU 2297699 С1, опубл. 10.07.2006 г., МПК H01Q 25/02].
Недостатком этого технического решения является невозможность независимой работы отдельных квадрантов апертуры.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является фазированная антенная решетка, состоящая из панелей излучателей, блоков фазовращателей, линеек ВРС и главного распределителя. Главный распределитель, в свою очередь, содержит СВЧ-сумматор, четыре основные линейки направленных ответвителей, суммирующее устройство, четыре дополнительные линейки направленных ответвителей, направленный ответвитель, фазирующие секции и согласованные нагрузки, при этом вход направленного ответвителя является входом, по которому формируется разностная диаграмма направленности фазированной антенной решетки в плоскости ориентации главного распределителя. В этой ФАР каждую из четырех основных линеек направленных ответвителей выполняют с двумя магистральными волноводами, расположенными параллельно друг другу один за другим таким образом, что ответвленные волноводные каналы поочередно имеют общие широкие стенки с элементами связи в них то с одним, то с другим магистральным волноводом, при этом первый и второй магистральные волноводы в каждой основной линейке объединены по входам балансным мостом, входы которого являются двумя независимыми входами линеек направленных ответвителей (пат. RU 2506670 С2, опубл. в 2012 г).
Недостатками этого технического решения являются большие габаритные размеры и масса фазированной антенной решетки, сложность конструктивной реализации, обеспечивающей сложение сигналов от СВЧ-сумматора и суммирующего устройства.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что фазированная антенная решетка состоит из панелей излучателей, блоков фазовращателей, линеек ВРС и главного распределителя в составе СВЧ-сумматора, четырех основных линеек направленных ответвителей, каждую из которых выполняют с двумя магистральными волноводами, расположенными параллельно друг другу таким образом, что ответвленные волноводные каналы поочередно имеют общие широкие стенки с элементами связи в них то с одним, то с другим магистральным волноводом, суммирующего устройства, четырех дополнительных линеек направленных ответвителей, фазирующих секций, согласованных нагрузок и направленного ответвителя, при этом вход направленного ответвителя является входом, по которому формируется разностная диаграмма направленности фазированной антенной решетки в плоскости ориентации главного распределителя, а независимыми входами основных линеек направленных ответвителей в каждой четверти являются входы балансных мостов, объединяющих по входам пары магистральных волноводов линеек.
Новым в предлагаемой фазированной решетке является то, что пары магистральных волноводов основных линеек направленных ответвителей главного распределителя в каждой четверти расположены один над другим, а ответвленные каналы выполнены в фольгированной с двух сторон пластине из диэлектрика и расположены между магистральными волноводами в каждой паре, при этом между выходами балансных мостов, объединяющих магистральные каналы основных линеек, и входами этих линеек в каждой четверти установлены переходы, Η и Е-уголки, а дополнительные линейки направленных ответвителей в каждой четверти ФАР выполнены с одним магистральным волноводом, одна из широких стенок которого прилегает к ответвленным каналам и имеет элементы связи с ними, причем между входами дополнительных линеек направленных ответвителей в каждой четверти и выходами суммирующего устройства установлены Η и Е-уголки, при этом в прилегающих друг к другу широкими стенками волноводных каналах между выходами направленного ответвителя и входами СВЧ-сумматора и суммирующего устройства выполнены фазосдвигающие секции, а волноводные каналы СВЧ-сумматора и суммирующего устройства выполнены в прилегающих друг к другу фольгированных с двух сторон пластинах из диэлектрика, причем СВЧ-сумматор, связывающий между собой четыре основных линейки направленных ответвителей, состоит из трех балансных Т-мостов, выполненных в одной пластине, и четвертого балансного Т-моста, выполненного в другой пластине, а суммирующее устройство, связывающее четыре дополнительные линейки направленных ответвителей, состоит из трех дополнительных балансных Т-мостов, выполнены в третьей пластине.
Технический результат предлагаемого решения заключается в снижении массогабаритных характеристик фазированной антенной решетки при сохранении пониженного уровня боковых лепестков разностной диаграммы направленности (ДН).
На Фиг. 1 показана функциональная схема фазированной антенной решетки (ФАР) с оптимизированной разностной ДН в плоскости расположения главного распределителя.
На фиг. 2 приведены схемы
а) СВЧ- сумматора
б) суммирующего устройства
На Фиг. 3 представлен фрагмент главного распределителя, содержащий СВЧ-сумматор и суммирующее устройство, выполненные в трех фольгированных с двух сторон пластинах из диэлектрика.
Фазированная антенная решетка состоит из панелей излучателей 1, блоков фазовращателей 2, линеек волноводно-распределительной системы (ВРС) 3 и главного распределителя, включающего в себя СВЧ-сумматор 4, суммирующее устройство 5, основные линейки направленных ответвителей 6, дополнительные линейки направленных ответвителей 7, ответвленные каналы 8, направленный ответвитель 9, фазирующие секции 10, фазосдвигающие секции 11, согласованные нагрузки 12. Основные линейки направленных ответвителей 6 выполнены с двумя магистральными волноводами 13 и 14, входы которых через переходы 15, Η и Е-уголки 16 и 17 объединены балансным мостом 18, два входа которого (I и II) являются независимыми входами каждой четверти. При этом СВЧ-сумматор 4 состоит из четырех балансных Т-мостов 19-22, а суммирующее устройство 5 - из трех балансных Т-мостов 23.
Работает фазированная антенная решетка следующим образом:
- в режиме «на передачу» сигнал от передатчика через элементы волноводного тракта и СВЧ-сумматор 4 (Т-мосты 19, 21 и 22) поступает на один из входов, условно первый (I), каждого из четырех балансных мостов 18, делится пополам, и пройдя через переход 15 и Η и Е-уголки 16 и 17 питает первый 13 и второй 14 магистральные каналы основных линеек направленных ответвителей 6, и, распространяясь вдоль обоих магистральных волноводов 13 и 14, последовательно ответвляется в ответвленные каналы направленных ответвителей 8, поступает на выходы главного распределителя, формируя в совокупности заданное амплитудное распределение в плоскости главного распределителя. Каждый выходной канал главного распределителя питает соответствующие линейку ВРС 3, блок фазовращателей 2 и панель излучателей 1. Таким образом, «на передачу» работает весь раскрыв антенны.
Для независимой работы «на передачу» четверти антенны сигнал от передатчика поступает непосредственно на второй (II) вход балансного моста 18 нужной четверти, делится пополам и далее аналогично вышеописанному, формирует заданное амплитудное распределение на всех выходных каналах распределителя, относящихся к этой четверти антенны. Противофазность, возникающая на выходах балансного моста 18, устраняется в соответствующих блоках фазовращателей четверти.
- в режиме «на прием» сигнал от раскрыва антенны через панель излучателей 1, блоки фазовращателей 2 и линейки ВРС 3 поступает на выходы основных линеек направленных ответвителей 6 главного распределителя, далее частично или полностью, в зависимости от соотношения направлений излученного и принятого сигналов, переходит или только в магистральные волноводы 13 и 14 основных линеек направленных ответвителей 6 или распределяется между всеми магистральными волноводами основных и дополнительных линеек направленных ответвителей. Сигналы, пришедшие на входы магистральных волноводов 13 и 14, пройдя через элементы 15, 16, 17 поступают на выходы балансного моста 18 суммируются в нем и поступают на тот или иной вход моста 18 (I или II) в зависимости от заданного режима работы антенны. В случае работы «на прием» всей антенны - на вход I, соединенный с выходом сумматора 4 (для всех четвертей), в случае независимой работы «на прием» одной четверти раскрыва - на вход II (свободный) моста 18, связанный с соответствующим приемником. При этом в заданной четверти необходимо изменение на 180° значений фазы блока фазовращателей 2, расположенных в каждой второй строке.
Предлагаемое техническое решение с выполнением каждой из четырех основных линеек направленных ответвителей главного распределителя с двумя магистральными волноводами, расположенными один над другим, и объединением этих магистральных волноводов через переход 15, Ε и Η уголки 16, 17 по входам балансным мостом 18 позволяет обеспечить как возможность независимой работы отдельных четвертей антенны, не влияющей на оптимизацию характеристик излучения ФАР, так и компактную совместную компоновку СВЧ-сумматора и суммирующего устройства, выполненных в трех пластинах фольгированного диэлектрика.
Проведена конструкторская проработка предложенного технического решения в части расположения пар магистральных каналов основных линеек один над другим и выполнения ответвленных каналов в фольгированных с двух сторон пластине из диэлектрика по технологии SIW-волноводов. При этом СВЧ-сумматор и суммирующее устройство были выполнены в двух вариантах - с полыми волноводными каналами и каналами, выполненными по технологии SIW-волноводов в фольгированной с двух сторон пластине из диэлектрика. Габаритный размер распределителя по НП уменьшился с ≈23 см (в прототипе) до ≈16 см и ≈12 см соответственно, что в результате привело к существенному уменьшению массо-габаритных характеристик ФАР. Результаты практической реализации предложенного конструктивно- технического решения не вызывают сомнения. Проведенное математическое моделирование подтверждает достижение заявленного технического результата.