СФЕРИЧЕСКАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к области антенной техники и может быть использована в качестве зеркальной антенны с низким уровнем боковых лепестков диаграммы направленности, что обеспечивает повышение помехозащищенности радиолокационной станции.
2
Известна сферическая зеркальная антенна (Tingye Li. A Study of Spherical Reflectors as Wide-Angle Scanning Antennas // IRE Trans. on Antennas and Propagation, July 1959, p.p.223-226), состоящая из полусферического отражателя диаметром 304,8 см и рупорного облучателя, возбуждающего раскрыв антенны диаметром 78,7 см. Облучатель представляет собой прямоугольный рупор с размером раскрыва 3,9×3,9 см имеет диаграмму направленности шириной 76° и уровень боковых лепестков не более -25 дБ, расположен в окрестности параксиального фокуса зеркала на фокусном расстоянии 74,9 см от вершины зеркала. На длине волны 2,7 см сферическая зеркальная антенна имеет ширину диаграммы направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях 1,76° при уровне боковых лепестков не более -20 дБ и коэффициенте усиления 39,4 дБ.
Основным недостатком данной антенны является высокий уровень боковых лепестков диаграммы направленности, т.е. низкая помехозащищенность радиолокационной станции.
Известна сферическая зеркальная антенна, выбранная в качестве ближайшего аналога (А.С.Schell. The Diffraction Theory of Large-Aperture Spherical Reflector Antennas // IEEE Trans. on Antennas and Propagation, July 1963, p.p.428-432), состоящая из полусферического зеркала диаметром 609,6 см и комбинированного облучателя. Комбинированный облучатель состоит из прямоугольного рупора, расположенного в окрестности
параксиального фокуса на расстоянии от раскрыва 0,513·а (а - радиус зеркала), первой антенной решетки, фазовый центр которой находится в точке 0,542·а, и второй антенной решетки, фазовый центр которой находится в точке 0,575·a. Возбуждаемая комбинированным область раскрыва имеет диаметр 304,8 см. На длине волны 3,2 см эффективность использования апертуры полусферического зеркала составляет 54% при уровне боковых лепестков антенны в Н - плоскости не более -25 дБ. Для регулирования фазовых соотношений между рупорным облучателем и антенными решетками используются два фазовращателя.
Основной недостаток антенны - высокий уровень боковых лепестков диаграммы направленности, следовательно, низкая помехозащищенность радиолокационной станции.
Полезная модель направлена на увеличение помехозащищенности радиолокационной станции за счет снижения уровня боковых лепестков диаграммы направленности сферической зеркальной антенны.
Для решения поставленной задачи в известной сферической зеркальной антенне, состоящей из полусферического зеркала и рупорного облучателя, расположенного в окрестности параксиального фокуса зеркала, антенна снабжена дополнительным облучателем в виде двух прямоугольных волноводов с открытыми концами, изогнутых в противоположные стороны в плоскости вектора Е, а их широкие стенки находятся в постоянном контакте с вогнутой поверхностью зеркала. Выходы волноводов через фазовращатели и аттенюаторы соединены на Е-тройнике, а выход рупорного облучателя через фазовращатель и аттенюатор соединен с выходом Е-тройника на волноводном Н-тройнике.
Традиционные методы решения задач дифракции на идеально проводящей полусферической поверхности рассматривают одну область фокусировки падающего на раскрыв поля - фокальное пятно в окрестности параксиального фокуса. К таким методам относятся: метод лучевой и геометрической оптики, метод геометрической теории дифракции,
объясняющие явления фокусировки поля при больших значениях электрического радиуса зеркала. Эффективным инструментом решения дифракционных задач является метод интегральных уравнений с его модификациями - методом моментов, неортогональных рядов, сингулярных интегральных уравнений и др. Однако, при сведении интегрального уравнения относительно тока, возбуждаемого на поверхности тела рассеяния, к системе интегральных уравнений, размерность системы резко возрастает для больших значений электрического радиуса, что обуславливает большой объем вычислительных процедур и потерю физической интерпретации результатов.
В то же время известно, что дифракция на вогнутых телах вращения дает ряд эффектов, которые до настоящего времени не нашли широкого применения для улучшения электрических характеристик сферических зеркальных антенн. Такими физическими явлениями являются многократные отражения, эффект «шепчущей галереи», которые ярко проявляются при расположении источника поля вблизи вогнутой стенки зеркала.
Решение уравнений Максвелла в сферической системе координат методом Фурье с использованием группы вращений (Пономарев О.П. Решение уравнений Максвелла в сферической системе координат с использованием группы вращений. Приложение для сферических зеркальных антенн // Радиотехника, 2006, №4, с.77-78) позволяет получить амплитудно-фазовое распределение электрического поля вдоль оси идеально-проводящей полусферы произвольного электрического радиуса для заданного амплитудно-фазового распределения поля на раскрыве. При этом на оси отражателя имеется два явно выраженных максимума фокусировки энергии. Первый максимум находится в окрестности параксиального фокуса, обусловлен фокусировкой лучей однократного отражения от центральной области зеркала и имеет протяженный вид.
Фокусировка лучей в этой области достаточно хорошо изучена и используется для коррекции сферической аберрации. Второй интерференционный максимум имеет меньшую протяженность и характеризует фокусирующие свойства краевых областей раскрыва полусферы, где лучи испытывают многократные отражения и сказывается влияние волны «шепчущей галереи».
На прилагаемых к заявке графических материалах изображены:
на фиг.1 - предлагаемая сферическая зеркальная антенна с комбинированным облучателем;
на фиг.2 - нормированная диаграмма направленности предлагаемой сферической зеркальной антенны;
на фиг.3 - распределение напряжения, регистрируемого анализатором спектра в точках фиксированного положения измерительного зонда вдоль оси полусферического зеркала;
на фиг.4 - сферическая зеркальная антенна с рупорным облучателем (аналог);
на фиг.5 - сферическая зеркальная антенна с комбинированным облучателем (ближайший аналог).
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - полусферическое зеркало;
2 - рупорный облучатель;
3 - дополнительный облучатель;
4, 5, 9 - волноводные фазовращатели;
6, 7, 10 - волноводные аттенюаторы;
8 - волноводный Е-тройник;
11 - волноводный Н-тройник;
12 - нормированная диаграмма направленности предлагаемой сферической зеркальной антенны, возбуждаемой комбинированным облучателем;
13 - нормированная диаграмма направленности предлагаемой сферической зеркальной антенны, возбуждаемой облучателем в виде открытого конца прямоугольного волновода;
r
14 - распределение радиальной составляющей электрического поля Е вдоль оси полусферического зеркала радиусом 22,5 см на длине волны 3,14 см при равномерном амплитудном распределении поля на раскрыве;
r
15 - распределение радиальной составляющей электрического поля E вдоль оси полусферического зеркала радиусом 22,5 см на длине волны 3,14 см при спадающем Тейлоровском (первого вида) амплитудном распределении поля на раскрыве;
r
16 - распределение радиальной составляющей электрического поля Е вдоль оси полусферического зеркала радиусом 22,5 см на длине волны 3,14 см при спадающем Тейлоровском (2 вида) амплитудном распределении поля на раскрыве.
Анализ амплитудно-фазовых распределений поля вдоль оси идеально проводящей полусферы 14, 15, 16 показывает возможность возбуждения раскрыва полусферического зеркала комбинированным облучателем, состоящим из основного, расположенного в первом максимуме в окрестности параксиального фокуса, и дополнительного, находящегося во втором интерференционном максимуме и возбуждающего краевые области раскрыва. Введение дополнительного облучателя позволяет снизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности и повысить помехозащищенность радиолокационной станции.
Предлагаемая сферическая зеркальная антенна состоит из полусферического отражателя 1, рупорного облучателя 2 и дополнительного облучателя 3. Дополнительный облучатель представляет собой два прямоугольных волновода, например, типа МЭК-100 с открытыми концами, изогнутых в плоскости вектора Е в
противоположные стороны и их широкие стенки находятся в постоянном контакте с вогнутой поверхностью зеркала. Открытые концы волноводов 3 расположены симметрично оси симметрии зеркала. Выходы волноводов через фазовращатели 4, 5, аттенюаторы 6, 7 соединены на Е-тройнике 8, выход рупорного облучателя через фазовращатель 9 и аттенюатор 10 соединен с выходом Е-тройника 8 на волноводном Н-тройнике 11.
Сферическая зеркальная антенна работает следующим образом. Электромагнитные волны, отраженные от центральной области зеркала 1, принимаются рупорным облучателем 2. Электромагнитные волны, отраженные от краевых областей зеркала 1, принимаются открытыми концами прямоугольных волноводов 3. Сигналы с выходов прямоугольных волноводов дополнительного облучателя проходят через фазовращатели 4, 5, аттенюаторы 6, 7, на которых регулируется фаза и амплитуда сигналов, и суммируются на волноводном Е-тройнике 8. Сигнал с выхода рупорного облучателя 2 поступает на фазовращатель 9, затем на аттенюатор 10, на которых регулируется фаза и амплитуда сигнала. С выхода аттенюатора 10 сигнал суммируется с сигналом с выхода Е-тройника 8 на Н-тройнике 11. Фазы сигналов дополнительного облучателя 3 на выходе фазовращателей 4, 5 и фаза сигнала на выходе фазовращателя 9 регулируются таким образом, чтобы основные лепестки диаграммы направленности антенны, возбуждаемой дополнительным облучателем, находились в противофазе с первым боковым лепестком диаграммы направленности антенны, возбуждаемой рупорным облучателем 2. Амплитуды сигналов дополнительного облучателя 3 на выходе аттенюаторов 6, 7 и амплитуда сигнала на выходе аттенюатора 10 регулируются так, чтобы уровень основных лепестков диаграммы направленности антенны, возбуждаемой дополнительным облучателем 3, был равен уровню первых боковых лепестков диаграммы направленности антенны, возбуждаемой рупорным облучателем 2. Этим достигается уменьшение уровня бокового излучения сферической зеркальной антенны.
На экспериментальной установке за счет выбора амплитудных и фазовых соотношений между основным и дополнительным облучателями волноводного типа получена нормированная диаграмма направленности 12 сферической антенны  (β - угол поворота антенны в горизонтальной плоскости) с уровнем боковых лепестков не выше -36 дБ. Диаметр раскрыва зеркала составляет 30 см. Раскрыв антенны облучался на длине волны 3,0 см из дальней зоны горизонтально поляризованным полем.
Таким образом, за счет снижения уровня боковых лепестков диаграммы направленности повышается помехозащищенность радиолокационной станции.