МОНОИМПУЛЬСНАЯ АНТЕННА
MONOPULSE AERIAL

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ- и КВЧ-диапазонов, в частности - к конструкциям моноимпульсных антенн, и может быть использовано в радиолокационных системах с моноимпульсным методом пеленгации целей как самостоятельно, так и в качестве облучателей антенн апертурного типа (фазированных антенных решеток (ФАР), зеркальных и линзовых антенн), обеспечивающих приемопередающий режим работы.
Известны конструкции моноимпульсных облучателей, раскрыв которых содержит четыре излучателя. В частности, известен четырехрупорный ромбовидный облучатель, содержащий три суммарно-разностных моста (Сколник М. Справочник по радиолокации / Пер. с англ. под ред. К.Н.Трофимова. Т.4. - М.: Сов. Радио, 1978. - 376 с. - С.23-24). Это устройство обладает рядом недостатков.
1) Облучатель работает только при линейной поляризации электромагнитного поля.
2) Вход передающего канала и выход суммарного приемного канала совмещены. При работе в режимах приема и передачи для переключения суммарного канала облучателя между волноводными трактами передатчика и приемника необходимо использование антенного переключателя или Y-циркулятора. Это приводит к ухудшению электрических характеристик, например к увеличению вносимого ослабления.
3) При формировании каждой из разностных диаграмм направленности облучателя используются только два излучателя из четырех, что приводит к неэффективному использованию раскрыва облучателя.
4) При выполнении такой схемы в виде конструкции с применением отдельных волноводных узлов, соединенных волноводами, из-за технологических погрешностей выполнения волноводов не обеспечивается необходимая симметрия каналов в тракте облучателя, что приводит к амплитудным и фазовым погрешностям возбуждения излучателей. Это требует проведения настройки облучателя с целью выравнивания электрических длин каналов и амплитуд сигналов в волноводных каналах.
Известен облучатель антенны моноимпульсной РЛС, содержащий четырехсекционный рупор, соединенный с волноводным трактом, выполненным по схеме с четырьмя суммарно-разностными мостами на двойных волноводных тройниках (Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1984. - 312 с. - С.28-29). Этот облучатель имеет лучшие электрические характеристики, но и ему присущи те же недостатки.
1) Облучатель работает только при линейной поляризации электромагнитного поля.
2) Вход передающего канала и выход суммарного приемного канала облучателя совмещены.
3) При выполнении такой схемы в виде конструкции с применением отдельных волноводных узлов требуется настройка облучателя с целью выравнивания электрических длин каналов и амплитуд сигналов в волноводных каналах.
10
01
10
01
Наиболее близким к настоящему изобретению является моноимпульсный облучатель (Моноимпульсный облучатель. Пат.№2236728 Россия, МПК Н01Q 13/02. ОАО "НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова". Синани А.И., Алексеев О.С., Позднякова Р.Д., Митин В.А., Ястребов Б.П. №2003113175/09; опубл. 20.09.2004. Бюл. №26), принятый за прототип и формирующий суммарные и разностные диаграммы направленности одновременно на двух линейных взаимно ортогональных поляризациях. Моноимпульсный облучатель содержит четыре волноводных излучателя квадратного сечения, примыкающих вплотную друг к другу и имеющих по два входа, сигнал от одного из которых возбуждает волну Н, а от другого - H и соответственно поля с взаимно ортогональными поляризациями. Четыре однотипных входа, например для волны Н, объединены с помощью одного суммарно-разностного узла возбуждения, со входов которого формируются суммарно-разностные диаграммы направленности для одного типа поляризации, а четыре других однотипных входа для волны H - с помощью другого суммарно-разностного узла возбуждения, со входов которого формируются аналогичные диаграммы направленности с ортогональной первому типу поляризацией.
Такой моноимпульсный облучатель также обладает рядом недостатков.
1) Возможность работы только на волнах с линейной поляризацией поля.
2) Вход передающего канала и выход суммарного приемного канала моноимпульсного облучателя для каждого типа поляризации совмещены.
3) Сложность конструкции и невысокая технологичность, связанные с выполнением конструкции в виде отдельных волноводных узлов.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение работы приемопередающей моноимпульсной антенны на волнах, поляризованных по кругу, разделение входа передающего канала и выхода суммарного приемного канала, обеспечение высоких характеристик моноимпульсной антенны без подстройки электрических длин волноводных каналов и выравнивания амплитуд сигналов в них. Это достигается введением поляризаторов и выполнением конструкции моноимпульсной антенны в виде волноводных узлов с высокой степенью интеграции элементов волноводных трактов.
1
пр
2
Поставленная задача достигается тем, что в моноимпульсной антенне, содержащей четыре волноводных канала, каждый из которых включает волноводный излучатель квадратного сечения и волновод канала с двумя возбуждающими волноводами, первый из которых возбуждает в волноводе канала волну с линейной поляризацией, например вертикальной, а второй - волну с ортогональной линейной поляризацией, первый и второй суммарно-разностные узлы возбуждения, четыре волновода каждого из которых соединены с первыми и вторыми возбуждающими волноводами каналов соответственно, согласно изобретению в каждый волноводный канал между волноводным излучателем и волноводом канала, выполненным квадратным или круглым, с возбуждающими волноводами, выполненными прямоугольными и с продольными осями, перпендикулярными продольной оси волновода канала, введен поляризатор, обеспечивающий преобразование в режиме передачи, например, вертикально-поляризованной волны, возбуждаемой первым возбуждающим волноводом, в волну, поляризованную по кругу, а в режиме приема - поляризованной по кругу волны в горизонтально-поляризованную волну второго возбуждающего волновода, при этом четыре волноводных излучателя выполнены в виде единого узла излучателей, четыре поляризатора выполнены в виде единого узла поляризаторов, а первый суммарно-разностный узел возбуждения, включающий входной двойной волноводный тройник со входом передающего канала, три согласованные нагрузки, соединительные волноводы и два выходных двойных волноводных тройника, вместе с отрезками четырех волноводов каналов с первыми возбуждающими волноводами, соединенными с выходными волноводами двух двойных волноводных тройников, выполнен в виде единого первого Е-плоскостного волноводного узла, примыкающего к узлу поляризаторов так, что волноводы каналов соединены со входами поляризаторов, а второй суммарно-разностный узел возбуждения выполнен в виде второго и третьего Е-плоскостных волноводных узлов, при этом второй Е-плоскостной волноводный узел включает два входных и один выходной двойные волноводные тройники, соединительные волноводы, одну согласованную нагрузку, четыре закороченных на конце отрезка волноводов каналов со вторыми возбуждающими волноводами, причем волноводы каналов соединены с соответствующими волноводами каналов первого Е-плоскостного волноводного узла, а вторые возбуждающие волноводы соединены со входами двух входных двойных волноводных тройников, два разностных выхода которых соединены со входами третьего двойного волноводного тройника, суммарный выход которого является выходом первого разностного приемного канала Δ, а третий Е-плоскостной волноводный узел, включающий выходной двойной волноводный тройник, выходы которого являются выходами суммарного приемного канала Σ и второго разностного приемного канала Δ, примыкает ко второму Е-плоскостному волноводному узлу так, что входы его двойного волноводного тройника соединены с суммарными выходами первых двух двойных волноводных тройников второго Е-плоскостного волноводного узла, причем входы двойных волноводных тройников выполнены прямоугольными, а корпус каждого Е-плоскостного волноводного узла выполнен разъемным в виде двух полукорпусов, плоскость разъема которых совмещена с Е-плоскостью, проходящей через середину широкой стенки входа двойного волноводного тройника соответствующего Е-плоскостного волноводного узла, при этом расстояние между плоскостями разъемов полукорпусов первого и второго Е-плоскостных волноводных узлов равно (α+2δ), где α - размер широких стенок прямоугольных входов двойных волноводных тройников, а δ≥0,2 мм - толщина стенки волноводного узла в Н-плоскости.
В частном случае соприкасающиеся полукорпуса первого и второго Е-плоскостных волноводных узлов могут быть выполнены в виде единой части корпуса с толщиной стенки в Н-плоскости, равной 2δ.
В частном случае узел излучателей и узел поляризаторов могут быть выполнены в виде единого волноводно-поляризационного узла.
На фиг.1 приведена предлагаемая моноимпульсная антенна с видом со стороны волноводных излучателей. На фиг.2 показана моноимпульсная антенна с видом со стороны входа передающего канала. На фиг.3 приведена электрическая схема моноимпульсной антенны. На фиг.4 показано расположение волноводных каналов в одном из полукорпусов первого Е-плоскостного волноводного узла. На фиг.5 показано расположение волноводных каналов в другом полукорпусе первого Е-плоскостного волноводного узла. На фиг.6 показано расположение волноводных каналов в одном из полукорпусов второго Е-плоскостного волноводного узла. На фиг.7 показано расположение волноводных каналов в другом полукорпусе второго Е-плоскостного волноводного узла. На фиг.8 приведены волноводные каналы в одном из полукорпусов третьего Е-плоскостного волноводного узла. На фиг.9 приведены волноводные каналы в другом полукорпусе третьего Е-плоскостного волноводного узла. На фиг.10 показана единая часть корпуса, объединяющая в себе соприкасающиеся полукорпуса первого и второго Е-плоскостных волноводных узлов. На фиг.11 представлены экспериментальные суммарная и разностная диаграммы направленности одного из изготовленных образцов моноимпульсной антенны.
На фиг.1-10 обозначено: 1 - узел излучателей; 2 - узел поляризаторов; 3 - первый Е-плоскостной волноводный узел; 3а, 3б - полукорпуса первого Е-плоскостного волноводного узла; 4 - второй Е-плоскостной волноводный узел; 4а, 4б - полукорпуса второго Е-плоскостного волноводного узла; 5 - третий Е-плоскостной волноводный узел; 5а, 5б - полукорпуса третьего Е-плоскостного волноводного узла; 6, 7, 8, 9 - волноводные излучатели; 10, 11, 12, 13 - поляризаторы; 14, 15, 16, 17 - первые возбуждающие волноводы каналов; 18, 19, 26, 46 - согласованные нагрузки; 20, 21, 22, 23, 27, 28, 30, 40, 41, 42, 43, 47, 48, 50, 52, 53, 55, 57 - соединительные волноводы; 24, 25, 29, 44, 45, 49, 56 - двойные волноводные тройники; 31 - вход передающего канала; 32, 33, 34, 35, 59, 60, 61, 62 - отрезки волноводов каналов; 36, 37, 38, 39 - вторые возбуждающие волноводы каналов; 51 - выход первого разностного приемного канала, 54 - выход второго разностного приемного канала, 58 - выход суммарного приемного канала; 63 - единая часть корпуса, объединяющая соприкасающиеся полукорпуса первого и второго Е-плоскостных полноводных узлов; 64 - единый волноводно-поляризационный узел, содержащий узел излучателей и узел поляризаторов; 65 - плоскость разъема полукорпусов первого Е-плоскостного волноводного узла; 66 - плоскость разъема полукорпусов второго Е-плоскостного волноводного узла; 67 - плоскость разъема полукорпусов третьего Е-плоскостного волноводного узла.
Четыре волноводных излучателя 6, 7, 8 и 9 объединены в единый узел излучателей 1. Четыре поляризатора 10, 11, 12 и 13 выполнены в виде единого узла поляризаторов 2. Конструктивно узел излучателей и узел поляризаторов могут быть выполнены в виде единого волноводно-поляризационного узла 64 (фиг.2).
Первый суммарно-разностный узел возбуждения, используемый в режиме передачи и включающий входной двойной волноводный тройник 29 со входом передающего канала 31, три согласованные нагрузки 18, 19 и 26, соединительные волноводы 27, 28 и 30, два выходных двойных волноводных тройника 24 и 25, четыре отрезка волноводов каналов 32, 33, 34 и 35 с первыми возбуждающими волноводами 14, 15, 16 и 17, соединенными с выходами двух двойных волноводных тройников 24 и 25 соединительными волноводами 20, 21, 22, 23, выполнен в виде единого первого Е-плоскостного волноводного узла 3, примыкающего к узлу поляризаторов 2 так, что отрезки волноводов каналов 32, 33, 34 и 35 соединены со входами поляризаторов 10, 11, 12 и 13.
пр
1
2
Второй суммарно-разностный узел возбуждения, используемый при работе в режиме приема и соединенный с четырьмя вторыми возбуждающими волноводами каналов 36, 37, 38 и 39, волноводные выходы 58, 51 и 54 которого являются выходами соответственно суммарного Σ, а также первого и второго разностных Δ и Δ приемных каналов, включает четыре двойных волноводных тройника 44, 45, 49 и 56, соединительные волноводы 40, 41, 42, 43, 47, 48, 50, 52, 53, 55 и 57 и согласованную нагрузку 46.
1
Четыре волновода каналов 59, 60, 61 и 62 со вторыми возбуждающими волноводами 36, 37, 38 и 39, соединенными соединительными волноводами 40, 41, 42 и 43 с двойными волноводными тройниками 44 и 45, третий двойной волноводный тройник 49, на выходе Е-плеча которого формируется первый разностный приемный сигнал и через соединительный волновод 50 поступает на выход первого разностного приемного канала 51 (Δ), а также соединительные волноводы 47 и 48, с помощью которых двойной волноводный тройник 49 соединен с Е-плечами двойных волноводных тройников 44 и 45, выполнены в виде единого второго Е-плоскостного волноводного узла 4.
пр
2
Четвертый двойной волноводный тройник 56 второго суммарно-разностного узла возбуждения, на выходе Е-плеча которого формируется суммарный приемный сигнал и поступает через соединительный волновод 57 на выход суммарного приемного канала 58 (Σ), а на выходе Н-плеча которого формируется второй разностный приемный сигнал и через соединительный волновод 55 поступает на выход второго разностного приемного канала 54 (Δ), выполнен в виде третьего Е-плоскостного волноводного узла 5.
Входы всех двойных волноводных тройников выполнены прямоугольными.
Каждый Е-плоскостной волноводный узел выполнен разъемным в виде двух полукорпусов, а плоскость разъема полукорпусов каждого из трех Е-плоскостных волноводных узлов 65, 66 и 67 (фиг.1) совмещена с его Е-плоскостью, проходящей через середину широкой стенки входа его двойного волноводного тройника. Такое техническое решение позволяет снизить требования к качеству поверхностей деталей. Расстояние между плоскостью разъема полукорпусов первого 65 (фиг.1) и плоскостью разъема полукорпусов второго 66 (фиг.1) Е-плоскостных волноводных узлов равно (α+2δ), где α - размер широких стенок прямоугольных входов двойных волноводных тройников, а δ≥0,2 мм - толщина стенки волноводного узла в Н-плоскости.
Соприкасающиеся полукорпуса первого и второго Е-плоскостных волноводных узлов 3б и 4а могут быть выполнены в виде единой части корпуса 63 (фиг.2) с толщиной стенки в Н-плоскости, равной 2δ.
Устройство работает следующим образом.
10
В режиме передачи линейно-поляризованная волна типа Н поступает на вход передающего канала 31 и через соединительный волновод 30 на вход Н-плеча двойного волноводного тройника 29, выход Е-плеча которого нагружен на согласованную нагрузку 26, а с двух других выходов которого электромагнитные волны через соединительные волноводы 27 и 28 поступают на входы Е-плеч двойных волноводных тройников 24 и 25, Н-плечи которых нагружены на согласованные нагрузки 18 и 19, а на других выходах которых мощность электромагнитных волн распределяется поровну на четыре соединительных волновода 20, 21, 22 и 23, через которые электромагнитные волны поступают в первые возбуждающие волноводы каналов 14, 15, 16 и 17. По волноводам каналов 32, 33, 34 и 35 электромагнитные волны с линейной поляризацией поля подаются на входы четырех поляризаторов 10, 11, 12 и 13. После прохождения через поляризаторы электромагнитные волны с линейной поляризацией поля преобразуются в волны, поляризованные по кругу, и поступают на входы четырех волноводных излучателей 6, 7, 8 и 9. При этом волноводные излучатели 6, 7, 8 и 9 возбуждаются синфазно и равноамплитудно, что позволяет сформировать в режиме передачи суммарную диаграмму направленности с максимальным коэффициентом направленного действия.
1
пр
2
В режиме приема волны, поляризованные по кругу, принимаются четырьмя волноводными излучателями 6, 7, 8 и 9 и с их выходов поступают в поляризаторы 10, 11, 12 и 13, на выходах которых преобразуются в волны с линейной-поляризацией поля, ортогональной поляризации волн, возбуждаемых в волноводах каналов в режиме передачи. С выходов поляризаторов принятые электромагнитные волны поступают в отрезки волноводов каналов 32, 33, 34, 35 и далее в закороченные на концах отрезки волноводов каналов 59, 60, 61, 62, со вторых возбуждающих волноводов которых 36, 37, 38 и 39 волны через соединительные волноводы 40, 41, 42 и 43 поступают попарно на входы двух двойных волноводных тройников 44 и 45. С их разностных выходов Е-плеч электромагнитные волны через соединительные волноводы 47 и 48 поступают на входы двойного волноводного тройника 49, выход Н-плеча которого нагружен на согласованную нагрузку 46, а на выходе Е-плеча формируется первый разностный приемный сигнал, который через соединительный волновод 50 поступает на выход первого разностного приемного канала 51 (Δ). С суммарных выходов Н-плеч двойных волноводных тройников 44 и 45 волны через соединительные волноводы 52 и 53 поступают на входы двойного волноводного тройника 56. На выходе его Е-плеча формируется суммарный приемный сигнал, который через соединительный волновод 57 поступает на выход суммарного приемного канала 58 (Σ). На выходе Н-плеча двойного волноводного тройника 56 формируется второй разностный приемный сигнал, который через соединительный волновод 55 поступает на выход второго разностного приемного канала 54 (Δ).
Полукорпуса Е-плоскостных волноводных узлов предложенной моноимпульсной антенны могут быть изготовлены с использованием современных технологических процессов, таких как фрезерование на станках с числовым программным управлением или высокоточное литье, например, по выплавляемым моделям. Использование современного оборудования, а также выполнение каждого полукорпуса при одной установке заготовки в процессе обработки позволяют обеспечить высокую точность выполнения волноводных каналов и их симметрию, что позволяет получить высокие характеристики моноимпульсной антенны без подстройки электрических длин волноводных каналов и выравнивания амплитуд сигналов в них.
Предложенные схема построения и конструктивное выполнение моноимпульсной антенны могут применяться при изготовлении моноимпульсных антенн сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. В частности, они могут быть применены в качестве моноимпульсных облучателей апертурных антенн, в том числе фазированных антенных решеток. Изготовленные образцы моноимпульсных антенн Ka- и Ku-диапазонов волн имеют следующие электрические характеристики: уровень минимумов разностных диаграмм направленности относительно уровней их максимумов не превышает - 30 дБ; развязка входа передающего канала и выходов разностных приемных каналов составляет не менее 30 дБ; вносимое ослабление не превышает 0,5 дБ; коэффициент стоячей волны на входе передающего канала и выходах суммарного и разностных приемных каналов в рабочей полосе частот - не более 1,3.