Антенная система

 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано преимущественно в РЛС кругового обзора с фазовым, либо комбинированным способом пеленгации по азимуту и углу места. Техническим результатом является обеспечение формирования нескольких равномерных диаграмм направленности в азимутальной плоскости, которые, в свою очередь, перекрываются между собой в вертикальной (угломестной) плоскости, заполняя верхнюю полусферу и исключая затенение диаграмм возбуждающими устройствами и фидерами питания, тем самым осуществляя мгновенный обзор верхней полусферы и измерение координат цели. Антенная система состоит из набора размещенных вдоль вертикальной оси верхнего излучателя и N (N - целое число, больше 0) пар излучателей. Возбудители каждой из N пар излучателей набора выполнены зеркально-симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей по центру между излучателями пары, в виде короткозамкнутых на одном конце отрезков коаксиала, другой конец которых через плавный переход соединен с краями отверстий в дисках, наружные края дисков соединены с кольцевыми рупорами. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано преимущественно в РЛС кругового обзора

Известен изотропный излучатель [1] с круговой азимутальной диаграммой направленности, образованной за счет возбуждения радиально симметричной структуры круглым волноводом с волной H₁₁ на круговой поляризации.

Известна также конструкция биконической рупорной антенны с возбуждением решетки щелей через круглый волновод [2].

В этих устройствах центральная часть конструкции целиком занята возбуждающим волноводом, что является препятствием при создании более сложных многоканальных антенных систем.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому изобретению является конструкция антенной системы ретранслятора на связном искусственном спутнике Земли (ИСЗ) “Реле” [3], которая может быть взята за прототип.

В конструкции прототипа для формирования круговых диаграмм используются кольцевые решетки щелевых излучателей, прорезанных в стенках коаксиалов, образованных центральной частью штанги, на которой размещена конструкция ретранслятора. Из-за использования решетки щелевых излучателей неравномерность круговой диаграммы, как указывается в [3], составляет величину ±1,5 дБ, что является недостатком при использовании такой конструкции для фазовой отработки сигналов в азимутальной плоскости, так как приводит к дополнительным ошибкам при определении направления на цель.

Задачей изобретения является создание конструкции антенной системы, обеспечивающей формирование нескольких равномерных диаграмм направленности в азимутальной плоскости, которые, в свою очередь, перекрываются между собой в вертикальной (угломестной) плоскости, заполняя верхнюю полусферу и исключая затенение диаграмм возбуждающими устройствами и фидерами питания.

Поставленная задача достигается тем, что в антенной системе, состоящей из размещенного вдоль вертикальной оси набора из верхнего излучателя и N пар излучателей, возбудители каждой из N пар излучателей набора выполнены зеркально-симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей по центру между излучателями пары (N - целое число, больше 0).

При этом возбудители выполнены в виде короткозамкнутых на одном конце отрезков коаксиала, другой конец которых через плавный переход соединен с краями отверстий в дисках. Диски образуют плоскопараллельный радиальный волновод. Наружные края дисков соединены с кольцевыми рупорами, образующими раскрывы излучателей.

На поверхности наружной или внутренней трубы отрезка коаксиала, параллельно его оси прорезаны две продольные резонансные щели, развернутые по радиусу на 90°, и поперечная резонансная щель. К щелям подведены возбуждающие фидеры, например, в виде симметричных полосковых волноводов, причем фидеры от продольных резонансных щелей соединены через 3-ех дБ направленный ответвитель. По вертикальной оси симметрии размещен коаксиал, соединенный с верхним излучателем набора, который может быть выполнен, например, в виде дискоконусного излучателя или в виде вертикального вибратора, размещенного над диском.

Для сокращения габаритных размеров антенной системы кольцевые рупоры могут быть загнуты по направлению к вертикальной оси симметрии, причем один край этих рупоров соединен с поверхностью параболического тора. При этом излучатель имеет вид антенны типа “песочные часы” с вынесенным из зоны излучения облучателем.

Азимутальные диаграммы каждой пары излучателей формируются за счет излучения волны Н₁₁, возбуждаемой в отрезках коаксиалов через продольные щели во временной и пространственной квадратуре. Через поперечную щель в том же коаксиале возбуждается волна ТЕМ. Верхний излучатель набора также возбуждается волной ТЕМ через коаксиал, размещенный по вертикальной оси симметрии. Число N пар излучателей выбирается из условия перекрытия в вертикальной (угломестной) плоскости набором диаграмм части или всей верхней полусферы, с уровнем пересечения, например, 0,5 по мощности. Выходные сигналы излучателей раздельно поступают на схему обработки.

На фиг.1 схематически изображен общий вид антенной системы, где

1 - верхний излучатель набора;

2 - коаксиал, запитывающий верхний излучатель 1 и пары излучателей 3, 4, 5 (для N=3), образующие набор;

6, 7, 8 - горизонтальные плоскости, проходящие по центру между излучателями каждой пары;

9, 10 - возбудители пары излучателей (3);

11, 12 - возбудители пары излучателей (4);

13, 14 - возбудители пары излучателей (5);

15 - выходной разъем коаксиала 2;

16 - выходные разъемы фидеров для пары излучателей 5. Аналогичные выходные разъемы от пар излучателей 3 и 4 на фиг.1 не показаны.

На фиг.2 изображена антенная система в разрезе для одной пары излучателей (5), где показан отрезок короткозамкнутого коаксиала 17; плавный переход 18 к краям отверстий в дисках 19; диски 20, наружные края которых соединены с кольцевым рупором 21.

Аналогичным образом выполнены излучатели каждой из N пар.

На фиг.2 показан также верхний излучатель 1 набора (фиг.1), выполненный в виде дискоконусной антенны 22 с коаксиалом 23, продольные резонансные щели 24, поперечная резонансная щель 25, подведенные к щелям 24 и 25 возбуждающие фидеры 26, в данном случае выполненные в виде полосковых волноводов, свернутых по поверхности отрезков короткозамкнутого коаксиала 17.

На фиг.3 показан в сечении I-I (Iʹ-Iʹ) фиг.2 отрезок короткозамкнутого коаксиала 17 с продольными резонансными щелями 24, развернутыми по радиусу на 90°, поперечная резонансная щель 25. К щелям подведены возбуждающие фидеры 26, выполненные, например, в виде симметричных полосковых волноводов, где земляными пластинами является поверхность отрезка коаксиала 27 и наружная экранирующая поверхность 28. Отрезки короткозамкнутого коаксиала 17с внутренней трубой 29, щелями 24, 25 и возбуждающими фидерами 26 образуют возбудители 9, 10, 11, 12, 13, 14 (фиг.1).

На фиг.4 показано аналогичное фиг.3 сечение для случая выполнения продольных резонансных щелей 24 и поперечной резонансной щели 25 на поверхности внутренней трубы 29 короткозамкнутого коаксила 17 с внутренней экранирующей поверхностью 28, т.е. полосковый симметричный волновод свернут внутри внутренней трубы 29 короткозамкнутого коаксиала 17.

Возможно использование комбинации резонансных щелей, прорезанных как во внешней, так и во внутренней трубах коаксиала.

На фиг.5 изображена развертка возбудителя на плоскость, в которой через 3-ех дБ направленные ответвители 30, 31 соединены выходы от продольных резонансных щелей 24. Выходы от поперечных резонансных щелей 25 соединены через тройник 32 на общий выход 33. Выходы 34, 35, 36, 37 с 3-ех дБ направленных ответвителей 30, 31 и выход 33 образуют выходные разъемы 16 фидеров для пары излучателей 5. Аналогично выполнены выходы для пар излучателей 3 и 4.

На фиг.6 изображен разрез по линии II-II (II’-II’) развертки фиг.5, на котором видны продольные резонансные щели 24, поперечная резонансная щель 25, возбуждающие фидеры 26, поверхность отрезка коаксиала 27 и наружная экранирующая поверхность 28. Размер d определяет диаметр наружной трубы отрезка короткозамкнутого коаксиала 17.

На фиг.7 показан вариант конструкции с загнутыми наружными краями дисков 20 по направлению к вертикальной оси симметрии, образующими рупор 38. Ближний к оси край этого рупора 38 соединен с поверхностью параболического тора 39. Второй излучатель такой пары зеркально-симметричен первому относительно горизонтального сечения III-III. Размер h определяет разнос по вертикали фазовых центров излучения для пары излучателей.

На фиг.8 изображены нормированные диаграммы по полю в вертикальной плоскости от излучателей набора (половины диаграмм, симметричных относительно вертикальной оси):

- для верхнего излучателя - 40;

- для пар излучателей 3, 4, 5 соответственно 41, 42, 43, ориентированные под углом Θ, равным 60, 30 и 0° соответственно.

Ширина диаграмм в вертикальной плоскости соответствует размерам раскрыва рупоров, равным ~2λ для излучателей пар 3, 4, 5 и ~1λ для верхнего излучателя. Зона перекрытия диаграммами от пар излучателей 3, 4, 5 составляет ~90° по уровню 0,707 Е_MAKC. В горизонтальной плоскости диаграммы имеют вид окружностей для верхнего излучателя 1 и для пар излучателей 3, 4, 5 при возбуждении поперечных щелей 25 (волна ТЕМ).

На фиг.9 изображены диаграммы верхнего излучателя в горизонтальной плоскости 44 и вертикальной плоскости 45 при ориентации максимума диаграммы в направлении угла Θ=0°, для эквивалентного размера раскрыва в вертикальной плоскости ~2λ.

На фиг.10 изображены диаграммы в горизонтальной плоскости 46 и вертикальной плоскости 47 для излучателей пары 5 при возбуждении продольных щелей, размещенных при α_AЗ=90°, волной Н₁₁ в коаксиале. Значки “+” и “-” означают перемену фазы на 180° в лепестках диаграммы.

На фиг.11 изображены диаграммы 48 и 49 для излучателей пары 5 при возбуждении продольных щелей, размещенных при α_AЗ=0°, волной H₁₁ в коаксиале. Диаграммы в азимутальной плоскости 46 и 48 на фиг.10 и 11 образуют пространственную квадратуру.

На фиг.12 изображены диаграммы в азимутальной 50 и вертикальной 51 плоскостях при возбуждении поперечных щелей излучателей пары 5 волной ТЕМ.

Антенная система работает следующим образом:

- верхний излучатель 1 антенной системы (диаграммы фиг.9) используют для режима излучения, а в приемно-передающем режиме еще и в качестве источника опорного сигнала с дополнительным разносом фазового центра по вертикали;

- нижний излучатель 5 антенной системы имеет совпадающие фазовые центры (диаграммы фиг.10, 11, 12) и используется для работы на прием.

Работу излучателя 5 рассмотрим в режиме передачи при запитке продольных резонансных щелей 24 с выходов 34, 35 (36, 37) через 3-ех дБ направленный ответвитель 30 (31). Результирующие диаграммы направленности излучателя 5 образуют “мгновенные” восьмерки по азимуту, вращающиеся на 360° по азимуту за один период несущей частоты. При этом фазовая характеристика этих диаграмм меняется линейно от 0 до 360° в зависимости от азимутального угла.

Фазовая характеристика диаграммы 50 фиг.12 (для волны ТЕМ) не зависит от азимутального угла.

В силу круговой симметрии данной антенны и линейности фазовой характеристики диаграммы направленности антенны от азимутального угла прихода сигнала от цели в предлагаемой антенной системе отсутствует присущая прототипу неравномерность (±1,5 дБ) круговой диаграммы, что позволяет реализовать большие точности измерения угловых координат.

Дальнейшая обработка принятых сигналов зависит от используемого метода пеленгации, например фазовый суммарно-разностный метод пеленгации в случае использования антенной системы в радиолокационной станции кругового обзора с “мгновенным” обзором по азимуту и в зоне перекрытия по наклону (используя излучатели в полном наборе на фиг.1).

Использование подобной антенной системы перспективно также в охранных устройствах и в других применениях, например в комбинированном амплитудно-фазовом пеленгаторе, а также в РЛС обзора и сопровождения целей, особенно в тех РЛС, где требуются минимальные времена обзора и достаточно высокие точности измерения угловых координат целей.

Источники информации

1. Патент США №2761138 от 10.05.1946 г., кл. 343-781.

2. Патент ФРГ DE 2753180 C3, 1977 г., кл. H 01 Q 13/04.

3. Г.Б.Резников. Антенны летательных аппаратов. М.: Сов. радио, 1967, стр. 343-347, рис.9.7, 9.9.

Формула изобретения

1. Антенная система, состоящая из набора размещенных вдоль вертикальной оси верхнего излучателя и N (N - целое число, больше 0) пар излучателей, отличающаяся тем, что возбудители каждой из N пар излучателей набора выполнены зеркально симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей по центру между излучателями пары, в виде короткозамкнутых на одном конце отрезков коаксиала, другой конец которых через плавный переход соединен с краями отверстий в дисках, наружные края дисков соединены с кольцевыми рупорами, на поверхности наружной или внутренней трубы упомянутых отрезков коаксиала параллельно его оси прорезаны две продольные резонансные щели, развернутые по радиусу на 90°, и поперечная резонансная щель, к щелям подведены возбуждающие фидеры, причем фидеры от продольных резонансных щелей соединены через 3-децибельный направленный ответвитель, а по вертикальной оси симметрии размещен коаксиал, соединенный с верхним излучателем набора, выполненным, например, в виде диско-конусной антенны.

2. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые кольцевые рупоры загнуты по направлению к вертикальной оси симметрии, а один из краев этих рупоров соединен с поверхностью параболического тора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12