Волноводно-щелевая антенная решетка

Волноводно-щелевая антенная решетка

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот, а именно к волноводно-щелевым антенным решеткам (ВЩАР), используемым в радиолокационных системах (РЛС) летательных аппаратов.

Исходя из требований, предъявляемых к РЛС, устанавливаемых на летательных аппаратах, определяются требования к используемым в них ВЩАР, которые должны иметь минимальные вес и габариты, обладать высокой механической прочностью, устойчиво работать в условиях высоких и низких температур, при воздействии механических ударов и вибраций, выдерживать значительные перегрузки. ВЩАР позволяют реализовывать оптимальные диаграммы направленности, полоса их рабочих частот может быть расширена, и новые функциональные возможности могут быть реализованы за счет деления антенной решетки (АР) на подрешетки. ВЩАР имеют сравнительно простые возбуждающие устройства и просты в эксплуатации.

Известна передающая волноводно-щелевая антенная решетка [1], состоящая из параллельно расположенных волноводов с излучающими щелями и расположенного перпендикулярно им возбуждающего волновода с наклонными щелями в их общей широкой стенке для связи с излучающими волноводами. Возбуждающий волновод заканчивается фланцем для подсоединения источника энергии.

Антенна содержит плиту со сформированными на ней с двух противоположных сторон канавками (пазами), с одной стороны которой в эти пазы вставляются и затем припаиваются короба с излучающими щелями, представляющие собой часть волноводов и образующие волноводы совместно с плитой, а с другой стороны - короб, часть возбуждающего волновода. В плите для связи возбуждающего волновода с излучающими волноводами прорезаны наклонные щели. Недостатком данной конструкции являются большая толщина плиты, что вызвано необходимостью создания канавок с двух ее сторон, а также невозможность создания антенной решетки более сложной конструкции, позволяющей расширить ее функциональные возможности.

Наиболее близка к предлагаемому изобретению волноводно-щелевая антенная решетка [2], предназначенная для работы в моноимпульсном режиме и содержащая два конструктивно разделенных узла: излучающую антенную решетку и волноводную схему распределения мощности (моноимпульсный компаратор). Излучающая антенная решетка разделена на четыре подрешетки, расположенные в квадрантах круга. Излучающими элементами каждой подрешетки являются продольные излучающие щели, прорезанные в широких стенках параллельно расположенных излучающих прямоугольных волноводов, образующих первый уровень ВЩАР. Возбуждаются эти волноводы расположенными перпендикулярно им на втором уровне ВЩАР волноводами с наклонными щелями в их общих широких стенках. Возбуждающий волновод каждой подрешетки через щель связи соединен с расположенным на третьем уровне ВЩАР подводящим волноводом, который через общий фланец соединяется со схемой распределения мощности, предназначенной для формирования суммарной диаграммы направленности и двух разностных (по азимуту и углу места) и имеющей три соответствующих выхода. Излучающая антенная решетка содержит основной корпус, выполненный из алюминиевого листа фрезерованием с двух сторон с применением кондуктора, боковые детали, выполненные фрезерованием, пластину с излучающими щелями и крышки волноводов, выполненные из алюминиевой пластины толщиной 0,4 и 0,5 мм и покрытые необходимым припоем. Детали антенной решетки соединены методом пайки в расплаве. Схема распределения мощности выполнена с использованием технологии фрезерования на станке с числовым программным управлением и, подобно излучающей антенной решетке, спаяна в расплаве и представляет собой отдельный узел.

Недостатком данной конструкции щелевой волноводной антенны является ее нетехнологичность, поскольку используемая технология предусматривает применение методов металлообработки каждой детали по отдельности, что не дает хорошей повторяемости размеров, а следовательно, и параметров антенной решетки, наличие множества мелких деталей влечет за собой использование большого объема механосборочных работ. Кроме того, к недостаткам данной конструкции относится сложность реализации низкопрофильной АР (малой толщины), что вызвано, во-первых, сравнительно большой толщиной алюминиевой пластины с излучающими щелями, стенок корпуса с наклонными щелями и крышек волноводов из-за применения технологии фрезерования и необходимости обеспечения достаточной механической жесткости алюминиевой конструкции и, во-вторых, из-за наличия в ВЩАР двух конструктивно разделенных узлов, что ведет к промежуточной сборке, а следовательно, к увеличению массы и толщины ВЩАР.

Задачей данного изобретения является создание технологичной низкопрофильной конструкции волноводно-щелевой антенной решетки, позволяющей получить электрические параметры, близкие к теоретически возможным с хорошей повторяемостью, при этом предлагаемая конструкция должна обеспечивать простоту и точность изготовления и сборки ВЩАР, возможность групповых методов изготовления деталей, высокие прочностные характеристики изделия и высокий процент выхода годных изделий в промышленном производстве.

Предлагаемая волноводно-щелевая антенная решетка выполнена в виде многоуровневой системы волноводов и содержит волноводную схему распределения мощности и излучающую антенную решетку, разделенную на несколько подрешеток, излучающие элементы которых выполнены в виде продольных щелей в широких стенках параллельно расположенных прямоугольных излучающих волноводов, образующих первый уровень волноводно-щелевой антенной решетки, перпендикулярно которым на втором уровне волноводно-щелевой антенной решетки расположены по одному для каждой подрешетки возбуждающие волноводы, каждый из которых электромагнитно связан с излучающими волноводами через элементы связи в виде наклонных щелей в их общих широких стенках и электромагнитно связан с расположенным на третьем уровне подводящим волноводом подрешетки через элемент связи в общей широкой стенке этих волноводов, при этом все подводящие волноводы подрешеток соединены со схемой распределения мощности, причем многоуровневая система волноводов, образующих излучающую антенную решетку и волноводную схему распределения мощности, выполнена в виде многослойной конструкции из соединенных друг с другом чередующихся проводящих тонких пластин и проводящих оснований, при этом в каждом основании выполнены сквозные отверстия, образующие каналы волноводов соответствующего уровня волноводно-щелевой антенной решетки, а в прилегающих тонких пластинах, образующих широкие стенки этих волноводов, выполнены сквозные отверстия, образующие на соответствующих уровнях волноводно-щелевой антенной решетки либо излучающие элементы, либо отверстия элементов связи между волноводами разных уровней, либо отверстия для подвода энергии к волноводно-щелевой антенной решетке.

Элемент связи возбуждающего волновода подрешетки с расположенным на третьем уровне подводящим волноводом выполнен либо в виде щели в общей широкой стенке этих волноводов, либо в виде круглого отверстия в их общей широкой стенке и проходящего через него штыря, соединяющего вторые противоположные широкие стенки этих волноводов.

Проводящие пластины и основания соединены между собой посредством пайки.

Проводящие пластины и основания выполнены из низкоуглеродистой стали, при этом на поверхности проводящих пластин и оснований могут быть нанесены тонкие слои токопроводящих материалов, которые выполняют функцию высокотемпературного припоя при пайке антенной решетки.

В проводящей пластине с излучающими элементами выполнено, по крайней мере, одно сквозное отверстие для контроля степени плавления припоя, расположенное в центральной области этой пластины.

В проводящих пластинах и основаниях выполнены сквозные отверстия для штифтов, фиксирующих точное взаимное расположение пластин и оснований при сборке.

Предложенная многослойная конструкция волноводно-щелевой антенной решетки позволяет изготавливать ее детали групповым методом, например: пластины - методом двухсторонней фотолитографии, основания - методом электроэрозионной обработки металлов. Использование этих технологий дает возможность изготавливать пластины из тонкой стальной ленты (толщиной 0,15-0,2 мм), а основания, представляющие собой плоскую деталь со сквозными отверстиями (толщиной 2-3 мм), - в пакете из нескольких штук. На детали ВЩАР наносятся соответствующие покрытия, которые подбираются таким образом, чтобы при нагревании в процессе пайки они образовали необходимый припой. Пайка волноводно-щелевой антенной решетки как единого целого позволяет создать высокопрочное устройство с хорошими массогабаритными характеристиками, а нанесенные на детали покрытия обеспечивают высокую добротность волноводных систем и хорошую защиту антенны от внешних воздействующих факторов.

На фиг.1 представлен общий вид (вид сверху и снизу) волноводно-щелевой антенной решетки.

На фиг.2а и фиг.2б схематично представлены вид сверху и снизу конструкции излучающей антенной решетки, разделенной на подрешетки.

На фиг.3 изображены параллельно расположенные возбуждающий и подводящий волноводы ВЩАР с элементом связи, выполненным в виде щели.

На фиг.4 изображены перпендикулярно расположенные возбуждающий и подводящий волноводы ВЩАР с элементом связи, выполненным в виде щели.

На фиг.5 изображены расположенные под произвольным углом возбуждающий и подводящий волноводы ВЩАР с элементом связи, выполненным в виде отверстия и штыря.

На фиг.6 показаны детали волноводно-щелевой антенной решетки (тонкие пластины и основания) в порядке их расположения в готовой ВЩАР.

На фиг.7 показан фрагмент пластины и основания первого уровня ВЩАР с отверстием для контроля степени расплавления припоя.

На фиг.1 представлен общий вид одного из вариантов выполнения предлагаемой волноводно-щелевой антенной решетки, которая содержит излучающую антенную решетку 1, схематично представленную на фиг.2а и фиг.2б. Излучающая АР разделена на четыре подрешетки 2, 3, 4 и 5. В параллельно расположенных излучающих волноводах 6 прорезаны продольные щели 7, играющие роль излучающих элементов подрешеток. Перпендикулярно излучающим волноводам в каждой подрешетке на втором уровне расположен возбуждающий волновод 8. В общих стенках излучающих и возбуждающего волновода выполнены элементы связи в виде наклонных щелей 9. Возбуждающие волноводы каждой подрешетки через элементы связи связаны с соответствующими подводящими волноводами 10, расположенными на третьем уровне ВЩАР. Элементы связи могут быть выполнены в виде щели 11, как показано на фиг.3 и 4, при этом подводящий волновод может быть расположен как параллельно (фиг.3), так и перпендикулярно (фиг.4) возбуждающему, причем в случае перпендикулярного расположения волноводов в подводящем волноводе может быть установлен возбуждающий штырь, расположенный вблизи щели параллельно узкой стенке волновода. Элемент связи между волноводами 8 и 10 может быть выполнен также в виде отверстия 12 в общей широкой стенке этих волноводов и штыря 13, проходящего через это отверстие и соединяющего вторые широкие стенки волноводов, как показано на фиг.5. Этот вариант элемента связи имеет то преимущество, что соединяемые волноводы могут располагаться под любым углом. На штыре вблизи соединяемых им широких стенок для улучшения согласования могут быть выполнены утолщения в виде шайб.

Подводящие волноводы 10 соединяются со схемой распределения мощности, которая в предлагаемом варианте конструкции ВЩАР представляет собой моноимпульсный компаратор - суммарно-разностную схему, формирующую суммарную и две разностные, по азимуту и углу места, диаграммы направленности. Суммарно-разностная схема построена на четырех плоских двойных тройниках.

На фиг.6 изображены основные детали ВЩАР в порядке их расположения в готовой ВЩАР: 14-18 - тонкие проводящие пластины, в которых выполнены продольные излучающие щели 7, наклонные щели связи 9 излучающих и возбуждающих волноводов, отверстия элементов связи 12, а также могут быть выполнены в случае необходимости другие отверстия; 19-22 - проводящие основания, в которых выполнены сквозные отверстия 23-26, образующие каналы волноводов соответствующего уровня, а именно: 23 - отверстия в основании 19, образующие каналы излучающих волноводов, 24 - отверстия в основании 20, образующие каналы возбуждающих волноводов, 25 и 26 - отверстия в основаниях 21 и 22, образующие волноводные каналы подводящих волноводов и схемы распределения мощности. Пластины 16, 17, 18 и основания 21, 22 образуют схему распределения мощности между подрешетками излучающей антенной решетки, образованной пластинами 14, 15, 16 и основаниями 19, 20. Фланцы 27 и 28 суммарного и двух разностных выходных каналов предназначены для подвода энергии к ВЩАР, отверстия во фланцах совмещены с отверстиями для подвода энергии к ВЩАР в пластинах 17 и 18. Кроме того, в волноводно-щелевой антенной решетке может быть предусмотрен коаксиальный ввод энергии, как показано в предложенном варианте выполнения ВЩАР, для которого служит втулка 29, и предусмотрено отверстие в пластине 18. Отверстия 30 и 31 в деталях антенны предназначены для штифтов, служащих для совмещения этих деталей при сборке и фиксации их во время процесса пайки. Отверстия 30 служат для сборки деталей, входящих в состав излучающей антенной решетки, отверстия 31 - для сборки деталей, входящих в схему распределения мощности. Между собой совмещение и фиксация двух узлов антенны производится с помощью отверстий в основании 20, в котором выполнены две пары штифтовых отверстий, по два отверстия для каждого из узлов. ВЩАР в других вариантах выполнения может быть целиком собрана на двух штифтах.

На все детали ВЩАР нанесены гальванические покрытия, на основания - М6Ср18 (6 мкм меди и 18 мкм серебра), на пластины – Н6Ср3 (6 мкм никеля в качестве подслоя и 3 мкм серебра). Состав покрытия, нанесенного на основания, близок к эвтектическому составу сплава медь-серебро. За счет этого покрытия осуществляется пайка ВЩАР. Качество пайки, точнее, качество паяных соединений всех необходимых поверхностей существенно влияет на параметры ВЩАР. Для обеспечения надежного контакта паяемых деталей ВЩАР собирается в специально сконструированной оснастке для пайки. Пайка производится в водородной печи при температуре порядка 800°С, которая обеспечивает расплавление припоя, образуемого за счет нанесенного на основания покрытия. Для контроля прогрева узла, который происходит от периферии к центру, и определения надежности паяных соединений в центре пластины 14 с излучающими щелями выполнено сквозное отверстие 32 (фиг.7). В центре собранной ВЩАР образуется углубление (дном углубления служит основание 19), которое при пайке заполняется расплавленным припоем. Нагрев ВЩАР прекращается при хорошем растекании припоя.

Пайка ВЩАР медно-серебряным припоем, образующимся за счет покрытия деталей, обеспечивает высокую прочность паяных соединений, низкие потери в ВЩАР, а также ее защиту от коррозии. Технологический выход годных ВЩАР описанной конструкции составляет более 90%.

В режиме приема ВЩАР принимает падающую на нее волну через излучающие продольные щели 7, расположение которых в широких стенках излучающих волноводов 6 определяется требуемым амплитудным распределением. Принятый сигнал из излучающих волноводов 6 через наклонные щели 9 передается в возбуждающие волноводы 8 и далее через элементы связи, показанные на фиг.5, в подводящие волноводы 10 четырех подрешеток. Сигналы из подводящих волноводов поступают на суммарно-разностную схему, которая формирует три диаграммы направленности: суммарную и две разностные, по азимуту и углу места, и имеет соответственно три выхода для подвода энергии, расположенные на двух фланцах, суммарном 27 и сдвоенном разностном 28.

В режиме передачи сигнал подводится к суммарному входу ВЩАР на фланце 27, делится на четыре равные части схемой распределения мощности и поступает через подводящие волноводы 10 подрешеток на возбуждающие волноводы 8, из которых через наклонные щели 9 - в излучающие волноводы 6 и далее излучается в свободное пространство через излучающие щели 7. Наклон щелей 9 определяется величиной мощности сигнала, которую согласно заданному амплитудному распределению необходимо передать в излучающие волноводы.

В общем случае, в зависимости от величины, функционального назначения ВЩАР и требуемых электрических параметров излучающая антенная решетка может быть разделена на значительно большее число подрешеток, при этом схема распределения мощности между подрешетками становится более сложной и может быть расположена на нескольких уровнях ВЩАР, число которых определяется сложностью схемы. Но тем не менее она может быть сконструирована по принципам, предложенным в данном изобретении с использованием описанных технологических методов.

Источники информации:

1. Патент США № 4005431, заявл. 30.05.75, № 582085, опубл. 25.06.77. МКИ Н 01 Q 13/10, НКИ 343/771, 767, 770.

2. Harvey P. Muhs, "mm - Wave Antenna," Microwave Journal, pp.191-194, vol.28, № 7, 1985.

1. Волноводно-щелевая антенная решетка, выполненная в виде многоуровневой системы волноводов и содержащая волноводную схему распределения мощности и излучающую антенную решетку, разделенную на несколько подрешеток, излучающие элементы которых выполнены в виде сквозных отверстий в широких стенках параллельно расположенных прямоугольных излучающих волноводов, образующих первый уровень волноводно-щелевой антенной решетки, перпендикулярно которым на втором уровне волноводно-щелевой антенной решетки расположены по одному для каждой подрешетки возбуждающему волноводу, каждый из которых электромагнитно связан с излучающими волноводами через элементы связи в виде сквозных отверстий в их общих широких стенках и электромагнитно связан с расположенным на третьем уровне подводящим волноводом подрешетки через элемент связи в виде сквозных отверстий в общей широкой стенке этих волноводов, при этом все подводящие волноводы подрешеток соединены с волноводной схемой распределения мощности, отличающаяся тем, что многоуровневая система волноводов, образующих излучающую антенную решетку и волноводную схему распределения мощности, выполнена в виде многослойной конструкции из соединенных друг с другом чередующихся проводящих тонких пластин и проводящих оснований, при этом в каждом основании выполнены сквозные отверстия, образующие каналы волноводов соответствующего уровня волноводно-щелевой антенной решетки, а в прилегающих тонких пластинах, образующих широкие стенки этих волноводов, выполнены сквозные отверстия, образующие на соответствующих уровнях волноводно-щелевой антенной решетки либо излучающие элементы, либо отверстия элементов связи между волноводами разных уровней, либо отверстия для подвода энергии.

2. Волноводно-щелевая антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что излучающие элементы выполнены в виде продольных щелей, элементы связи между излучающими и возбуждающими волноводами выполнены в виде наклонных щелей, а элемент связи возбуждающего волновода подрешетки с расположенным на третьем уровне подводящим волноводом выполнен либо в виде щели в общей широкой стенке этих волноводов, либо в виде круглого отверстия в их общей широкой стенке и проходящего через него штыря, соединяющего вторые противоположные широкие стенки этих волноводов.

3. Волноводно-щелевая антенная решетка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что проводящие пластины и основания соединены между собой посредством пайки.

4. Волноводно-щелевая антенная решетка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что проводящие пластины и основания выполнены из низкоуглеродистой стали.

5. Волноводно-щелевая антенная решетка по п.4, отличающаяся тем, что на поверхности проводящих пластин и оснований нанесены тонкие слои токопроводящих материалов.

6. Волноводно-щелевая антенная решетка по п.5, отличающаяся тем, что слои токопроводящих материалов выполняют функцию высокотемпературного припоя при пайке антенной решетки.

7. Волноводно-щелевая антенная решетка по п.3 или 6, отличающаяся тем, что в проводящей пластине с излучающими элементами выполнено, по крайней мере, одно сквозное отверстие для контроля степени плавления припоя, расположенное в центральной области этой пластины.

8. Волноводно-щелевая антенная решетка по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что в проводящих пластинах и основаниях выполнены сквозные отверстия для штифтов, фиксирующих точное взаимное расположение пластин и оснований при сборке.