ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА С КОСЕКАНСНОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ
MIRROR ANTENNA WITH COSECANT DIRECTIVITY PATTERN

Изобретение относится к области радиолокации. Одной из важных задач, решаемых с помощью радиолокации, является контроль земной и водной поверхности вокруг охраняемых объектов, для которого необходимо обеспечить обнаружение малогабаритных объектов с высоким разрешением. Применение методов сверхкороткоимпульсной локации в сочетании с круговым обзором позволяет эффективно решать поставленную задачу, однако специфика обзора поверхности и метода локации обуславливают специальные требования к антенной системе. Для проведения экспериментов и отладочных работ оптимальным с точки зрения стоимости и простоты реализации является использование зеркальных антенн (ЗА), которые обеспечивают эффективное излучение коротких импульсов и, при некоторых усилиях, позволяют реализовывать диаграммы направленности (ДН) специальной формы.
Известны зеркальные антенны с поверхностью двойной кривизны, представляющей собой параболоид вращения [Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. - М.: Связь, 1977, с.311]. Недостатком является сложность использования таких антенн для обзора поверхности с малой высоты.
Известна также зеркальная антенна с цилиндрической поверхностью для получения косекансной диаграммы направленности с линейным облучателем. [См. Корбанский И.Н. Антенны. - М.: Энергия, 1973, с.239]. Недостатком является отсутствие у облучателя фазового центра, что не позволяет использовать такую антенну при сверхширокополосной радиолокации.
Известна зеркальная антенна с поверхностью двойной кривизны с облучателем, имеющим фазовый центр. Форма диаграммы, используемой для обзора поверхности, описывается косеканс-квадратной зависимостью и широко применяется в бортовых локаторах для картографирования. [См. Корбанский И.Н. Антенны. - М.: Энергия, 1973, с.243]. Недостатком является узкая диаграмма направленности. При обзоре местности с существенно меньшей высоты (порядка 20 м), например, с установочных вышек, требуется значительно расширить рабочий сектор диаграммы по углу места. При расширении диаграммы направленности усложняется форма отражающей поверхности, что ведет к усложнению технологии изготовления зеркальной антенны.
Технической задачей является существенное расширение рабочего сектора антенны по углу места и увеличение разрешающей способности системы за счет использования сверхширокополосных сигналов, которое влечет за собой изменение формы отражающей поверхности антенны и изменение положения облучателя.
Для решения поставленной задачи используется зеркальная антенна, формирующая косекансную диаграмму направленности, состоящая из зеркала с поверхностью двойной кривизны, рупорного облучателя и плоского контррефлектора, предназначенного для уменьшения продольных габаритов конструкции, при этом поверхность двойной кривизны выполнена в виде сектора параболоида вращения, а рупорный облучатель смещен из фокуса параболы в фокальной плоскости на величину Δ в поперечном от оси направлении. Величина Δ определяется с учетом требований к амплитудному распределению поля в раскрыве зеркальной антенны.
Для формирования косекансной диаграммы направленности с расширенным рабочим сектором по углу места необходимо создать амплитудное распределение поля в раскрыве зеркальной антенны, которое обеспечивается смещением облучателя из фокуса параболы в фокальной плоскости в поперечном от оси направлении. В зависимости от положения облучателя в раскрыве зеркальной антенны формируется амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве зеркальной антенны, которое в свою очередь формирует диаграмму направленности антенной системы. Изменением положения рупорного облучателя изменяется распределение поля в раскрыве и, как следствие, диаграмма направленности антенны. Для сверхширокополосного сигнала важно наличие фазового центра облучателя ЗА. При отсутствии фазового центра облучателя фронт широкополосного сигнала растягивается и исходный сигнал искажается. Так как диаграмма направленности зависит от амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве ЗА, которое в свою очередь определяется формой ДН облучателя, формой зеркала и взаимным положением зеркала и облучателя.
В общем случае расчет параметров системы достаточно сложен, возможен приближенный расчет классическим методом приближенного решения электродинамических задач, также называемым методом Кирхгофа [Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет излучаемых структур с помощью FEKO - М.: ЗАО «НПП «Родник», 2008 - 246 с.].
Авторами был исследован набор диаграмм направленностей ЗА для сверхширокополосных сигналов при различных положениях рупорного облучателя при помощи алгоритма расчета, основанного на методе Кирхгофа. Было выявлено, что в зависимости от величины смещения облучателя из фокуса параболы диаграмма направленности расширялась и искажалась за счет заплывания боковых лепестков, принимая косекансную форму. Оптимальный вариант был достигнут при величине смещения порядка 0,1f-0,5f, где f - фокусное расстояние параболы.
Для получения требуемой диаграммы направленности возможно использование не всей поверхности параболоида вращения (габариты которой не позволяют смещать облучатель в указанном диапазоне величин без искажения ДН), а только ее сектора, общая площадь которого составляет примерно четверть от площади поверхности параболоида вращения. Использование сектора параболоида вращения не ухудшает ДН, распределение поля в раскрыве определяется ДН облучателя и его положением относительно отражающей поверхности.
Изобретение поясняется чертежом,
где на фиг.1 приведена схема зеркальной антенны,
на фиг.2 - схема зеркальной антенны с плоским контррефлекторным зеркалом,
фиг.3 - экспериментальные данные по косекансных ДН для прототипа и заявленного решения.
на фиг.4 изображена конструкция параболического сектора.
Зеркальная антенна содержит (фиг.1, 2) отражающую поверхность в виде сектора 1 параболоида вращения ЗА, облучатель - 2 ЗА, контррефлектор - 3.
На фиг.3 отображены ДН в случае антенны с косекансной ДН - прототипа - кривая 1 и в случае антенны с отражающей поверхностью виде сектора параболоида вращения со смещенным облучателем - кривая 2.
На фиг.4 изображено выполнение поверхности сектора 1 параболического зеркала, составленного из сферических панелей 4 и каркаса 5, состоящего из плоских ферм 6 со стыковочными площадками 7.
Облучателем 2 создается амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве антенны, которое в свою очередь определяет форму ДН зеркальной антенны. Облучатель 2 выполнен в виде рупорной антенны и сдвинут из фокуса параболоида на величину от 0,1f и до 0,5f фокальной плоскости в поперечном направлении от оси параболоида вращения. При круговом обзоре сканирование поверхности обеспечивается вращением антенной системы.
Изготовление параболоида вращения не представляет собой сложной технологической задачи, однако ввиду конструктивных особенностей предложенной антенны сложно получить отражающую поверхность в виде сектора параболоида вращения. Для этого отражающую поверхность параболического сектора выполняют составной из сферических панелей 4, изготовленных, например, методом гидроформовки, а каркас 5 параболического зеркала собран, из плоских алюминиевых ферм 6 со стыковочными площадками 7, обработанными по профилю параболоида вращения, на которых закреплены сферические панели 4. Для уменьшения продольных габаритов антенной системы может быть использован плоский контррефлектор 3 (фиг.2), расположенный между поверхностью зеркала и фокальной плоскостью на расстоянии, равном f/2 от фокальной плоскости. Тогда рупорный облучатель 2 располагается зеркально своему исходному положению относительно контррефлектра 3.
Как следует из анализа ДН, кривая 3 фиг.2 более широкая и охватывает больший рабочий сектор по углу места.
Таким образом, получаем сверхширокополосное сканирование, что позволяет обнаружить малогабаритные наземные объекты с высоким разрешением.