Двухдиапазонная совмещенная волноводная антенная решетка с частотно-селективной развязкой между апертурами

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может быть использовано в антеннах средств связи и радиолокации с электрическим сканированием преимущественно сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн. Техническим результатом является упрощение конструкции двухдиапазонной совмещенной волноводной антенной решетки с частотно-селективной развязкой между апертурами и расширение полосы частот, в которой эта развязка обеспечивается. Сущность изобретения заключается в том, что антенная решетка содержит волноводные излучатели с неперекрывающимися апертурами верхнего и нижнего диапазонов частот, расположенные в одной апертуре и обеспечивающей частотно-селективную развязку между апертурами верхнего и нижнего диапазонов частот. Новым в антенной решетке является использование в качестве излучателей нижнего диапазона частот диафрагмированных периодических волноводов, имеющих полосы запирания для волн, распространяющихся в рабочей полосе частот излучателей верхнего диапазона. 6 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может быть использовано в антеннах средств связи и радиолокации с электрическим сканированием преимущественно сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн.

В средствах радиосвязи и радиолокации используются многодиапазонные совмещенные антенные решетки (АР), содержащие волноводные излучатели с неперекрывающимися апертурами верхнего и нижнего диапазонов частот, расположенных в одной апертуре [1-4].

Основной недостаток АР, описанной в [2], состоит в том, что совмещение решеток в одной апертуре приводит к значительному взаимодействию между ними вследствие дифракционных явлений на их поверхности и просачивания электромагнитной энергии одного диапазона на активные элементы подрешетки другого диапазона. Такое взаимодействие приводит к значительным помехам, в результате чего снижается коэффициент усиления, появляются дополнительные боковые лепестки, уменьшается сектор сканирования, изменяются частотные свойства в пределах каждого диапазона АР. При этом наиболее существенной является влияние высокочастотной подрешетки на низкочастотную, поскольку поле высокочастотного излучателя, попадая в тракт низкочастотного излучателя, вызывает возбуждение и распространение основного и высших типов волн, в то время как высокочастотный излучатель является запредельным для низкочастотного диапазона.

Эффекты взаимного влияния подрешеток могут быть уменьшены, например, путем установки в волноводы низкочастотной подрешетки специально подобранного слоистого диэлектрического заполнения [3] или за счет закорачивания их раскрывов с помощью частотно-зависимых фильтров типов волн [4]. Лучшие результаты по устранению взаимного влияния обеспечиваются при использовании фильтров типов волн, которые на некотором узком участке частотного диапазона могут практически полностью предотвратить проникновение поля высокочастотного диапазона в низкочастотные волноводы. Это решение использовано в двухдиапазонной фазированной АР по авторскому свидетельству №1059636 [4] и принято за прототип.

Основным недостатком известной АР [4] является сложность ее технической реализации. При этом количество типов волн, которые могут распространяться в низкочастотных волноводах, зависит от типов используемых волноводов и разноса диапазонов частот антенных подрешеток и становится тем больше, чем дальше друг от друга отстоят частотные диапазоны. Поскольку для каждого типа волны необходим свой фильтр, то при значительном количестве распространяющихся волн такое техническое решение становится труднореализуемым.

Другим недостатком является узкополосность медовых фильтров, что связано со сложностью их согласования с излучателем в достаточно широком диапазоне частот, превышающем единицы процентов. Кроме того, размещение фильтров в излучателе вносит дополнительное ослабление в антенно-фидерный тракт и приводит уменьшению коэффициента усиления АР.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции двухдиапазонной совмещенной волноводной АР с частотно-селективной развязкой между апертурами и расширение полосы частот, в которой эта развязка обеспечивается.

Поставленная цель достигается тем, что в двухдиапазонной АР, содержащей волноводные излучатели с неперекрывающимися апертурами верхнего и нижнего диапазонов частот, расположенные в одной апертуре и обеспечивающей частотно-селективную развязку между апертурами верхнего и нижнего диапазонов частот, излучатели нижнего диапазона частот выполнены в виде диафрагмированных периодических волноводов, имеющих полосы запирания для волн, распространяющихся в рабочей полосе частот излучателей верхнего диапазона.

Использование в двухдиапазонной АР волноводных излучателей с неперекрывающимися апертурами верхнего и нижнего диапазонов частот, расположенных в одной апертуре и обеспечивающих частотно-селективную развязку между апертурами верхнего и нижнего диапазонов частот, является общим существенным признаком заявляемой антенны и антенны-прототипа. Использование в качестве излучателей нижнего диапазона частот диафрагмированных периодических волноводов, имеющих полосы запирания для волн, распространяющихся в рабочей полосе частот излучателей верхнего диапазона, является частным существенным признаком заявляемой антенны.

Сопоставительный анализ заявляемой антенны с антенной-прототипом показывает, что заявляемая антенна отличается наличием ранее не использовавшегося технического решения, а именно тем, что в двухдиапазонной совмещенной волноводной АР, обеспечивающей частотно-селективную развязку между апертурами верхнего и нижнего диапазонов частот, в качестве излучателей нижнего диапазона частот использованы диафрагмированные периодические волноводы, имеющие полосы запирания для волн, распространяющихся в рабочей полосе частот излучателей верхнего диапазона. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию изобретения«новизна».

Поскольку применение двухдиапазонных совмещенных волноводных АР известно и известны также диафрагмированные волноводы с различными формами диафрагм, то это позволяет сделать вывод о возможности технической реализации заявляемого решения. Возможность технической реализации и удовлетворение заявляемой антенной предъявляемых к ней функциональных требований позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения «промышленная применимость».

Ниже предлагаемое изобретение описано более подробно со ссылками на приложенный чертеж. На фиг.1, 2 схематически представлено построение фрагмента заявляемой антенны. На фиг.3 и фиг.4 изображены продольные сечения диафрагмированных волноводов. На фиг.5 и фиг.6 изображены дисперсионные характеристики макетов круглых диафрагмированных волноводов.

Совмещенная двухдиапазонная АР (фиг.1, 2) состоит из излучающих элементов 1, 3, образующих низкочастотную апертуру, и излучающих элементов 2, 4, образующих высокочастотную апертуру. Излучатели 1, 3 выполнены в виде круглых диафрагмированных периодических волноводов. Высокочастотные излучатели могут быть выполнены в виде регулярных (гладких) либо диафрагмированных волноводов, причем цель изобретения может быть достигнута при использовании волноводов различных сечений: круглых (фиг.1), прямоугольных, крестообразных (фиг.2), четырехгребенчатых и т.д.

На фиг.3 изображено продольное сечение низкочастотного излучателя в виде круглого диафрагмированного волновода. Здесь R - размер полуоси, h - глубина канавки, b - ширина диафрагмы, Т - период структуры. Размеры волновода выбираются из условия распространения в низкочастотном диапазоне требуемых типов волн либо одномодового режима работы и полос запирания для всех распространяющихся типов волн в высокочастотном диапазоне. Форма диафрагм в продольном сечении волновода может быть различной: прямоугольной, прямоугольной со скругленными краями, синусоидальной и т.д. Выбор конкретной формы диафрагм определяется, как правило, технологическими соображениями.

На фиг.4 изображено продольное сечение диафрагмированного волновода с плавной формой диафрагм, которая в продольном сечении описывается выражением

где ширина диафрагмы b определяется на половине глубины канавки h.

На фиг.5 приведены результаты численного и экспериментального исследования дисперсионных характеристик (зависимостей коэффициентов фазы от частоты f) низкочастотного излучателя 1, 3 для заявляемой конструкции АР (см. фиг.1, 2), представляющего собой круглый диафрагмированный волновод с диафрагмами, имеющими в продольном сечении волновода прямоугольную форму. Волновод имеет следующие размеры: R=33 мм, h=13 мм, Т=20 мм, b=4 мм. Результаты экспериментальных исследований показаны на фиг.5 сплошными линиями, крестиками отмечены расчетные значения критических частот типов волн. Заштрихованные области 5 и 6 соответствуют диапазонам частот радиосредств. При такой конструкции волновода первыми типами волн по порядку возникновения являются волны E₀₁, НЕ₁₁, ЕН₁₁, HE₂₁. В волноводе имеется полоса запирания общая для всех распространяющихся типов волн. Следовательно, при возбуждении высокочастотной подрешетки в этом диапазоне в низкочастотных излучателях не будет распространяться ни один тип волн и влияние подрешеток будет практически отсутствовать. При этом нижний диапазон частот (заштрихованная область 5) размещается в области, соответствующей одномодовому режиму распространения волны НЕ₁₁ (между полосой запирания волны E₀₁ и полосой запирания волны НЕ₁₁). При необходимости нижний диапазон частот может быть выбран левее полосы запирания волны E₀₁, и низкочастотный излучатель будет работать на «смеси» волн E₀₁ и НЕ₁₁.

Следует отметить, что предложенный способ развязки апертур наиболее эффективен в важном для практики случае близкого расположения рабочих диапазонов частот. В качестве примера была рассмотрена конструкция антенной решетки, изображенная на фиг.2. Расчеты проведены для широко используемых в средствах связи диапазонов частот 7/8 ГГц. Размеры диафрагмированного излучателя низкочастотной подрешетки с дисперсионными характеристиками, аналогичными фиг.5, для диапазона частот 7,25...7,75 ГГц составили: R=23,8 мм, h=10,9 мм, Т=15,5 мм, b=4,6 мм, а размеры крестообразного излучателя высокочастотной подрешетки для диапазона частот 7,9...8,4 ГГц составили: А=21,6 мм, В=4,9 мм, где А - размер сечения волновода вдоль его стороны, В - размер выступа.

На фиг.6 приведены результаты численного и экспериментального исследования дисперсионных характеристик волновода, изображенного на фиг.4. Волновод имеет следующие размеры: R=36,5 мм, h=16,7 мм, Т=23,8 мм, b=7,1 мм, а обозначения размеров аналогичны принятым на фиг.3. Как видно из фиг.6, приведенные результаты имеют тот же характер, что и на фиг.5.

Проведенные численные исследования показали также, что максимальные ширины диапазонов частот 5 и 6, в которых обеспечивается частотно-селективная развязка между подрешетками, при использовании низкочастотных излучателей, конструкция которых изображена на фиг.4, достигается при следующих относительных размерах: T/R=0,66, h/R=0,565, b/R=0,198. Отношение верхней частоты полосы к нижней в этом случае составляет для полосы частот 3 величину 1,187, а для полосы частот 4 величину 1,09.

Численные исследования круглого диафрагмированного волновода проводились с помощью комплекса программ, реализующего численный алгоритм, построенный на основе проекционного метода [5]. Экспериментальные исследования проводились резонансным методом [6]. Для расчета конструкции низкочастотного излучателя в виде круглого диафрагмированного волновода с диафрагмой прямоугольной формы в продольном сечении волновода могут быть также использованы номограммы, приведенные в [7].

Из полученных результатов видно, что АР предложенной конструкции позволяет обеспечить частотно-селективную развязку в полосах частот до 10%...20%. Известно также [6], что диафрагмированные волноводы могут быть хорошо согласованы с возбудителем в широкой полосе частот и имеют низкий уровень потерь, меньший, чем у гладкостенных волноводов, даже без наличия в их полости дополнительных устройств.

На практике изготовление диафрагмированных волноводов с заданными параметрами структуры может быть осуществлено одним из известных используемых в промышленности способов, например методом гидравлической штамповки [8].

Как видно из представленных материалов, предлагаемая конструкция двухдиапазонной совмещенной волноводной АР позволяет устранить взаимное влияние высокочастотной и низкочастотной апертур без использования дополнительных устройств типа модовых фильтров, что значительно упрощает технологию производства АР и сокращает время ее монтажа и настройки, причем это сокращение составит величину не менее 1,5...2 раз. При этом предлагаемое устройство имеет лучшие электрические характеристики за счет расширения полосы частот, в которой обеспечивается частотно -селективная развязка между апертурами, улучшения согласования низкочастотных излучателей с возбудителем в рабочей полосе частот и уменьшения потерь в излучателях.

Источники информации

1. Воскресенский Д.И., Пономарев Л.И. Многочастотные сканирующие антенные решетки // Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 1981. - Т.24. - №2. - С.4-15.

2. Патент США №3761943, НКИ 343/776, 1973.

3. Пономарев Л.И., Степаненко В.И. Результаты анализа и оптимизации двухчастотной волноводной ФАР // В сб.: Антенны. - 1986. - Вып.34. - С.68-84.

4. Пономарев Л.И., Лиходед Ю.В., Степаненко В.И. Двухдиапазонная фазированная антенная решетка // А.с. СССР №1059636, МКИ H 01 Q 21/00, 06.04.82, опубл. БИ №45, 07.12.83.

5. Цибизов И.К. Комплекс программ расчета критических частот и коэффициентов фазы электромагнитных волн в круглом гофрированном волноводе с произвольной формой гофра // В кн.: Библиотека прикладных программ по электродинамике. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. - С.68-74.

6. Гибкие волноводы в технике СВЧ / Под. ред. Э.А.Альховского. - М.: Радио и связь, 1986. - 128 с.

7. Вальднер О.А. и др. Справочник по диафрагмированным волноводам. - М.: Атомиздат, 1977. - 376 с.

8. Крюков А.И., Глинкин И.М., Фионин В.И. Гибкие металлические рукава. - М.: Машиностроение, 1970. - 204 с.

Двухдиапазонная совмещенная волноводная антенная решетка с частотно-селективной развязкой между апертурами, содержащая волноводные излучатели с неперекрывающимися апертурами верхнего и нижнего диапазонов частот, расположенные в одной апертуре, и обеспечивающая частотно-селективную развязку между апертурами верхнего и нижнего диапазонов частот, отличающаяся тем, что излучатели нижнего диапазона частот выполнены в виде диафрагмированных периодических волноводов, имеющих полосы запирания для волн, распространяющихся в рабочей полосе частот излучателей верхнего диапазона.