Волноводно-щелевая антенная решетка и делитель мощности, используемый в ней

Волноводно-щелевая антенная решетка и делитель мощности, используемый в ней

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике сверхвысоких частот (далее СВЧ), а именно к конструкции антенных решеток с частотным сканированием, использующихся в радиолокационных станциях (далее РЛС) и предназначенных для обзора воздушного, надводного и наземного пространства.

Широко известные и применяемые в радиолокации антенны с частотным сканированием представляют собой плоскую решетку из волноводно-щелевых линейных излучателей (далее линейки), соединенных с делителем мощности, выполненным в виде змейкового волновода, свернутого в Е-плоскости, и содержащим элементы связи с линейками. Описание конструкции и принципа работы таких антенн содержится во многих источниках, в частности в «Сканирующие антенные системы СВЧ» т.3, под ред. Г.Т.Маркова и А.Ф.Чаплина, изд. «Советское радио», М., 1971 г. и «Антенны и устройства СВЧ», под ред. Д.И.Воскресенского, изд. «Советское радио», М., 1972 г. Аналогами предлагаемого изобретения также являются антенна частотного сканирования РЛС AN/SPS-48 фирмы ITT Gilfillan, США («Зарубежное военное обозрение» №5, 1980 г., «Aviation Wee» №24, 1984 г., ТИЭИР т.73, №2), антенны, используемые в трехкоординатных РЛС (патенты №: RU 35688, RU 2254593, RU 51754), и антенны по патентам № SU 1597986 и GB 2051486. Существенным недостатком известных антенн является то, что коэффициент стоячей волны по напряжению (далее КСВН) на входе делителя мощности на частоте нормали резко возрастает в результате синфазного сложения большого числа отражений от изгибов ответвителей змейкового волновода делителя мощности, что получило в литературе название «эффект нормали». Частота нормали - это частота сигнала, соответствующая формированию диаграммы направленности с максимумом в направлении нормали к продольной оси линии змейкового волновода делителя мощности (см. «Антенны и устройства СВЧ», под ред. Д.И.Воскресенского, изд. «Советское радио», М., 1972 г., стр.41, 42). Наличие эффекта нормали делает невозможной работу РЛС на частотах, пораженных резонансом, так как ухудшаются все параметры диаграммы направленности антенны и создаются перенапряжения в передающем тракте, которые могут привести к электрическим пробоям.

В качестве прототипа в части конструкции и общего принципа работы волноводно-щелевой антенной решетки может быть принята антенна частотного сканирования по патенту № RU 2284079, выполненная в виде плоской решетки волноводно-щелевых линейных излучателей, соединенных через элементы связи с делителем мощности. Делитель мощности выполнен в виде змейкового волновода, свернутого в Е-плоскости. Элементы связи делителя мощности с линейками разделены на две группы - четные и нечетные путем разнесения в пространстве продольных осей делителя мощности, содержащих четные и нечетные элементы связи, относительно друг друга на расстояние, равное целому нечетному числу четвертей длины волны в волноводе делителя мощности на частоте нормали. Существенным недостатком прототипа является то, что делитель мощности на промежутке между соседними элементами связи выполнен с одним 180-градусным изгибом (см. Фиг.2 к патенту № RU 2284079). Такая конструкция делителя мощности имеет большие габариты и способствует увеличению общего веса антенны из-за большой массы металла в промежутках между изгибами волновода. Кроме того, автоматически не достигается согласование фаз четных и нечетных выходов делителя мощности в случае неравенства размеров широких стенок волноводов линеек и делителя мощности. Достижение указанного требования возможно только за счет нарушения прямолинейной конфигурации линеек, что существенным образом осложняет технологичность изготовления и конструкцию всей антенны.

Прототипом в части конструкции делителя мощности для антенных решеток с частотным сканированием является многоканальный делитель мощности (патент № RU 2250540), который содержит замедляющую структуру в виде волноводной змейки, свернутой в Е-плоскости, и периодическую систему направленных ответвителей (элементов связи делителя мощности с линейками). В качестве элемента периодической системы направленных ответвителей применен плоский П-образный проводник, который размещается в волноводе делителя мощности вблизи узкой стенки и под углом к широким стенкам волновода. Концы проводника соединены с коаксиальным выводом и полосковой нагрузкой, установленной на узкой стенке волновода. Коаксиальные выходы делителя мощности находятся на одной продольной оси делителя мощности и смещены к одной из стенок канала змейкового волновода и к одному краю делителя мощности. Линия змейкового волновода делителя мощности между соседними ответвителями имеет два 180-градусных изгиба, а длина этой линии выбирается кратной нечетному числу полуволн в волноводе делителя мощности на средней частоте рабочего диапазона частот антенной решетки. Применение в качестве элементов связи делителя мощности с линейками направленных ответвителей, представляющих собой ряд мелких деталей и содержащих коаксиальные выводы, значительно снижает надежность работы и осложняет изготовление и обслуживание делителя мощности и всей антенны. Кроме того, расположение элементов связи на одной продольной оси делителя мощности (хоть и смещенной относительно его оси симметрии) не обеспечивает такое снижение КСВН на входе делителя мощности, которое бы позволило полностью исключить появление эффекта нормали, ухудшающего диаграмму направленности антенной решетки.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание волноводно-щелевой антенной решетки с частотным сканированием, работающей в заданном диапазоне частот, и обладающих наименьшим уровнем боковых лепестков при заданной ширине главного лепестка диаграммы направленности.

Техническими результатами, достигаемыми при реализации заявленного изобретения, являются, в частности, низкий уровень боковых лепестков (от минус 40 до минус 30 дБ); уменьшение КСВН на входе делителя мощности на частоте нормали; увеличение коэффициента усиления; увеличение коэффициента направленного действия; увеличение коэффициента использования поверхности антенного полотна; простота и технологичность изготовления и обслуживания; возможность разбора волноводно-щелевой антенной решетки на две части в области делителя мощности для удобства транспортировки и хранения; уменьшение массогабаритных характеристик волноводно-щелевой антенной решетки и РЛС в целом.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в нижеперечисленных признаках, влияющих на достижение заявленных технических результатов при его реализации.

Волноводно-щелевая антенная решетка (далее ВЩАР) содержит делитель мощности и плоскую решетку волноводно-щелевых линейных излучателей (линеек). Делитель мощности расположен в плоскости, параллельной плоскости, содержащей линейки. Каждый выход делителя мощности соединен через элемент связи с входом соответствующей линейки. Делитель мощности содержит замедляющую структуру в виде змейкового волновода, свернутого в Е-плоскости, и периодическую систему элементов связи с линейками. Линия змейкового волновода делителя мощности на промежутке между соседними элементами связи имеет два 180-градусных изгиба, а ее длина выбирается кратной целому нечетному числу полуволн в волноводе делителя мощности на средней частоте рабочего диапазона ВЩАР. Делитель мощности состоит из двух механически соединенных плит, в каждой из которых выполнено углубление, имеющее змейковую конфигурацию, ширина которого равна размеру узкой стенки волновода делителя мощности, а высота равна половине размера широкой стенки волновода делителя мощности. Продольная ось делителя мощности, содержащая все четные элементы связи, смещена относительно продольной оси делителя мощности, содержащей все нечетные элементы связи, на целое нечетное число четвертей длины волны в волноводе делителя мощности. Элементы связи делителя мощности представляют собой окна связи и согласующие выступы. При этом окна связи выполнены в узкой стенке волновода одной плиты делителя мощности, а согласующие выступы выполнены напротив окон связи на другой узкой стенке волновода второй плиты делителя мощности. Ширина окон связи и высота соответствующих им согласующих выступов выбирается из условия формирования требуемого амплитудно-фазового распределения поля по раскрыву ВЩАР. Каждая линейка представляет собой прямоугольный волновод, в узкой стенке которого выполнены попеременно-наклонные щели, при этом четные линейки имеют зеркальное направление наклона щелей по отношению к направлению наклона щелей нечетных линеек. Разница длин четных и нечетных линеек равна величине, на которую смещены продольные оси делителя мощности, содержащие четные и нечетные элементы связи. При этом центры всех щелей с одинаковыми порядковыми номерами (считая от выхода делителя мощности в линейку) каждой линейки расположены на одной вертикальной оси.

На Фиг.1 представлен фрагмент конструкции ВЩАР.

На Фиг.2 представлена одна из плит делителя мощности.

На Фиг.3 представлена схема построения ВЩАР.

В соответствии с Фиг.1, 3 ВЩАР состоит из делителя мощности 1 и горизонтально расположенных четных линеек 2 и нечетных линеек 3.

Делитель мощности 1 обеспечивает формирование и сканирование луча в вертикальной плоскости и содержит замедляющую структуру в виде змейкового волновода, свернутого в Е-плоскости, а также элементы связи 5 делителя мощности с линейками 2, 3 (Фиг.2, 3). Змейковый волновод делителя мощности 1 содержит 180-градусные изгибы, прямолинейные участки с элементами связи 5 и прямолинейные участки без элементов связи 5 (далее холостые каналы). На промежутке между соседними элементами связи 5 линия змейкового волновода делителя мощности 1 содержит два 180-градусных изгиба (Фиг.2, 3), а ее длина выбирается кратной целому нечетному числу полуволн в волноводе делителя мощности 1 на средней частоте рабочего диапазона ВЩАР. Прямолинейные участки, содержащие элементы связи 5 и холостые каналы в волноводе делителя мощности 1, располагаются через один. Продольные оси делителя мощности, содержащие все четные и нечетные элементы связи 5 делителя мощности с линейками 2, 3, разнесены относительно друг друга на расстояние Δ, равное целому нечетному числу четвертей длины волны в волноводе делителя мощности 1 (Фиг.2, 3). Смещение продольных осей делителя мощности 1 с четными и нечетными элементами связи на расстояние Δ обеспечивает согласование, то есть низкий уровень КСВН на входе делителя мощности на частоте нормали, и взаимную компенсацию отражений, приходящих на вход делителя мощности от четных и нечетных элементов связи и оказывающихся в противофазе по отношению друг к другу.

Волновод делителя мощности 1 представляет собой конструкцию из двух плит 6 и 7, в каждой из которых выфрезеровано углубление змейковой конфигурации. Ширина углубления выполняется равной размеру узкой стенки волновода делителя мощности, а высота - равной половине размера широкой стенки волновода делителя мощности. Плиты 6 и 7 делителя мощности 1 механически соединены, а образующиеся при соединении стыки герметизированы анаэробным герметиком. Элементы связи 5 делителя мощности представляют собой окна связи 8 и согласующие выступы 9. Окна связи 8 выполнены в плите 6 в узкой стенке d змейкового волновода делителя мощности 1. Согласующие выступы 9 выполнены в плите 7 на другой узкой стенке d волновода делителя мощности 1 напротив окон 8. Ширина каждого окна 8 и высота соответствующего ему выступа 9 выбираются из условия формирования требуемого амплитудно-фазового распределения поля по вертикальному раскрыву ВЩАР и зависят от уровня мощности СВЧ, необходимого для ответвления в соответствующие линейки 2, 3.

ВЩАР формирует диаграмму направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Каждая из линеек ВЩАР выполнена на основе прямоугольного волновода сечением a×b, в узкой стенке b которого прорезаны попеременно-наклонные щели 10. Четные и нечетные линейки имеют одинаковое количество щелей 10. Для получения линейного фазового распределения поля по раскрыву ВЩАР расстояние между щелями 10 примерно равно половине длины волны в волноводе линейки 2, 3, а наклон щелей 10 чередуется. При этом направление наклона щелей четных линеек 2 выполнено зеркально по отношению к направлению наклона щелей нечетных линеек 3. Настройка в резонанс на максимуме связи в заданном диапазоне частот регулируется глубиной врезания щели 10 в широкие стенки а линейки 2, 3. Щели каждой из линеек герметизированы лентой из фторопласта. Кроме того, четные линейки 2 и нечетные линейки 3 имеют разную длину. Разница длин четных и нечетных линеек равна величине Δ, на которую разнесены продольные оси делителя мощности 1, содержащие четные и нечетные элементы связи 5 (Фиг.3). Вход каждой из линеек 2 или 3 выполнен в виде волноводного Н-плоскостного уголка, имеющего 45-градусный скос и предназначенного для подключения к соответствующему выходу делителя мощности. На конце каждой линейки 2, 3 установлена согласованная нагрузка 11.

Для обеспечения необходимого сектора сканирования и положения его относительно нормали к ВЩАР размер широкой стенки с волновода делителя мощности 1 выполнен меньше размера широкой стенки а волновода линеек 2, 3. Размер узкой стенки d волновода делителя мощности 1 на прямолинейном участке с элементами связи 5 выполнен равным размеру узкой стенки b волновода линеек 2, 3, а размер узкой стенки d₁ волновода делителя мощности 1 в холостом канале выполнен меньше размеров узких стенок b и d. Из-за разницы размеров широких стенок с и а во входных участках, равных величине Δ, линеек 2 образуется ступенчатая фазовая ошибка, приводящая к увеличению уровня боковых лепестков и, как следствие, к ухудшению диаграммы направленности ВЩАР. Компенсирование указанной фазовой ошибки реализуется за счет введения во входные участки линеек 2 фазирующей секции 12, корректирующей фазу за счет изменения (увеличения или уменьшения) электрической длины входного участка линеек 2 на величину, равную возникшей фазовой ошибке (Фиг.1, 3). Фазирующая секция 12 представляет собой устройство, конструктивно изменяющее размер широкой стенки а линейки 2 таким образом, чтобы в пределах длины этой фазирующей секции 12 осуществлялся фазовый сдвиг, требуемый для согласования фаз четных и нечетных выходов делителя мощности 1 на средней частоте рабочего диапазона частот ВЩАР. Длина фазирующей секции 12 выбирается равной половине длины волны в линейке 2 с размером широкой стенки, измененным с учетом введения в нее фазирующей секции 12.

Исходя из эксплуатационных требований антенное полотно ВЩАР выполнено разборным на две части, причем разборка производится путем расчленения делителя мощности 1 на две секции, каждая из которых содержит подключенные через элементы связи 5 волноводно-щелевые линейные излучатели 2, 3 (Фиг.3). Соединение двух секций делителя мощности 1 осуществляется изогнутым 180-градусным отрезком волновода 13, длина которого обеспечивает непрерывность фазовой характеристики делителя мощности. В связи с этим, на следующем после стыка (считая от входа делителя мощности по пути распределения мощности СВЧ) участке змейкового волновода делителя мощности 1, содержащем элемент связи 5, волна, пришедшая к этому элементу связи, меняет сове направление на 180 градусов. Следовательно, фаза волны, ответвленная этим элементом связи в четную линейку 2, также меняется на 180 градусов. Для компенсации указанного скачка фазы элементы связи 5 делителя мощности с линейками, находящиеся непосредственно до и после 180-градусного волновода, располагаются на одной продольной оси делителя мощности. При этом линейка 2, подключенная к элементу связи 5 делителя мощности, расположенному непосредственно после 180-градусного волновода (считая от входа делителя мощности), выполняется меньшей длины и с измененным на 180 градусов направлением наклона щелей, то есть выполняется аналогичной нечетной линейке 3.

Предлагаемая конструкция ВЩАР была проверена экспериментально. ВЩАР работает в диапазоне частот 2710-2850 МГц и состоит из 54 волноводно-щелевых линейных излучателей, каждый из которых выполнен на основе прямоугольного волновода сечением 72×34 мм, в одной из узких стенок которого прорезано 85 попеременно-наклонных излучающих щелей с шагом, равным 73 мм. Продольные оси делителя мощности, содержащие четные и нечетные элементы связи с линейками, разнесены относительно друг друга на расстояние, равное ¹/₄ длины волны в волноводной змейке делителя мощности на частоте нормали. Длина линии змейкового волновода делителя мощности на промежутке между соседними элементами связи выполнена равной 3,5 длины волны в волноводе делителя мощности на средней частоте рабочего диапазона ВЩАР. Размер широкой стенки с волновода делителя мощности - 67 мм, размер узкой стенки d волновода делителя мощности на прямолинейных участках с элементами связи - 34 мм, а размер узкой стенки d₁ волновода делителя мощности в холостом канале - 24 мм. Фазирующая секция установлена во входной участок каждой четной линейки и имеет длину, равную 45,3 мм. Уровень боковых лепестков составил минус 34 дБ, величина КСВН на входе делителя мощности в рабочем диапазоне частот не превышает 1,5.

1. Делитель мощности волноводно-щелевой антенной решетки, содержащий замедляющую структуру в виде змейкового волновода, свернутого в Е-плоскости, и периодическую систему элементов связи с волноводно-щелевыми линейными излучателями, причем линия змейкового волновода делителя мощности на промежутке между соседними элементами связи имеет два 180-градусных изгиба, а ее длина выбирается кратной целому нечетному числу полуволн в волноводе делителя мощности на средней частоте рабочего диапазона волноводно-щелевой антенной решетки, отличающийся тем, что он состоит из двух механически соединенных плит, в каждой из которых выполнено углубление, имеющее змейковую конфигурацию, ширина которого равна размеру узкой стенки волновода делителя мощности, а высота равна половине размера широкой стенки волновода делителя мощности; продольная ось делителя мощности, содержащая все четные элементы связи, смещена относительно продольной оси делителя мощности, содержащей все нечетные элементы связи, на целое нечетное число четвертей длины волны в волноводе делителя мощности; элементы связи делителя мощности представляют собой окна связи и согласующие выступы, при этом окна связи выполнены в узкой стенке волновода одной плиты делителя мощности, а согласующие выступы выполнены напротив окон связи на другой узкой стенке волновода второй плиты делителя мощности, ширина окон связи и высота соответствующих им согласующих выступов выбираются из условия формирования требуемого амплитудно-фазового распределения поля по раскрыву волноводно-щелевой антенной решетки.

2. Делитель по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью разделения в плоскости, перпендикулярной продольным осям делителя мощности, содержащим четные и нечетные элементы связи с волноводно-щелевыми линейными излучателями, на две секции, соединяющиеся 180-градусным волноводом, длина которого выбирается из условия обеспечения непрерывной фазовой характеристики делителя мощности, а элементы связи делителя мощности с волноводно-щелевыми линейными излучателями, находящиеся непосредственно до и после 180-градусного волновода, располагаются на одной продольной оси делителя мощности.

3. Делитель по п.2, отличающийся тем, что стыки плит, из которых он выполнен, заполнены анаэробным герметиком.

4. Волноводно-щелевая антенная решетка, характеризующаяся тем, что она содержит делитель мощности по п.1 и плоскую решетку волноводно-щелевых линейных излучателей; делитель мощности расположен в плоскости, параллельной плоскости, содержащей волноводно-щелевые линейные излучатели, а каждый выход делителя мощности соединен через элемент связи с входом соответствующего волноводно-щелевого линейного излучателя; каждый волноводно-щелевой линейный излучатель представляет собой прямоугольный волновод, в узкой стенке которого выполнены попеременно-наклонные щели, при этом четные волноводно-щелевые линейные излучатели имеют зеркальное направление наклона щелей по отношению к направлению наклона щелей нечетных волноводно-щелевых линейных излучателей, разница длин четных и нечетных волноводно-щелевых линейных излучателей равна величине, на которую смещены продольные оси делителя мощности, содержащие четные и нечетные элементы связи, а центры всех щелей с одинаковыми порядковыми номерами (считая от выхода делителя мощности в волноводно-щелевой линейный излучатель) каждого волноводно-щелевого линейного излучателя расположены на одной вертикальной оси.

5. Антенная решетка по п.4, отличающаяся тем, что во входной участок каждого волноводно-щелевого линейного излучателя, имеющего большую длину, вводится фазирующая секция, обеспечивающая такое изменение размера широкой стенки волновода волноводно-щелевого линейного излучателя, чтобы в пределах длины фазирующей секции осуществлялся фазовый сдвиг, требуемый для согласования фаз четных и нечетных выходов делителя мощности на средней частоте рабочего диапазона частот антенной решетки, при этом длина фазирующей секции выбирается равной половине длины волны в волноводе волноводно-щелевого линейного излучателя с размером широкой стенки, измененным с учетом введения в него фазирующей секции.

6. Антенная решетка по п.5, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью разделения в плоскости, перпендикулярной продольным осям делителя мощности, содержащим четные и нечетные элементы связи с волноводно-щелевыми линейными излучателями, на две секции, соединяющиеся 180-градусным волноводом, длина которого выбирается из условия обеспечения непрерывной фазовой характеристики делителя мощности, причем элементы связи делителя мощности с волноводно-щелевыми линейными излучателями, находящиеся непосредственно до и после 180-градусного волновода, располагаются на одной продольной оси делителя мощности, а волноводно-щелевой линейный излучатель, подключенный к элементу связи делителя мощности и расположенный непосредственно после 180-градусного волновода (считая от входа делителя мощности), выполняется аналогичным волноводно-щелевому линейному излучателю, имеющему меньшую длину.