Радиолокационное одномерно-сканирующее антенно-фидерное устройство
Владельцы патента RU 2308132:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники" (RU)
Изобретение относится к антенной технике, в частности к вибраторным фазированным антенным решеткам (ФАР) для летательных аппаратов в печатно-полосковом исполнении, питаемым через полосковый фидерный тракт (ФТ) от волноводной линии питания. Технический результат - повышение эксплуатационных характеристик вращающейся удлиненной ФАР для летательного аппарата за счет снижения потерь электромагнитной энергии и поперечного габарита ФАР при одновременном повышении технологичности настройки и улучшения ремонтопригодности антенно-фидерного устройства. Сущность изобретения состоит в том, что в радиолокационном одномерно-сканирующем антенно-фидерном устройстве, содержащем ФАР с симметричными печатными полуволновыми вибраторами, упорядоченно расположенными над проводящим экраном на расстоянии, составляющем четверть средней длины волны рабочего диапазона, и ФТ для синфазной запитки вибраторов, представляющий собой систему питания ФАР, включающую последовательную схему распределения мощности, поступающей с линии питания, и участки подвода распределенной мощности к рабочим плечам вибраторов, и снабженную средствами электронного сканирования на основе фазовращателей, включенных в систему питания ФАР между канальными выходами указанной схемы распределения мощности и входами участков подвода распределенной мощности к рабочим плечам вибраторов и соединенных с блоками управления переключениями фазовращателей, вибраторы, сгруппированные в вертикальные укороченные линейные не сканирующие подрешетки и образующие своими плечами узкую плоскую рабочую поверхность ФАР с распределением вдоль горизонтально ориентированной длины ее поверхности указанных подрешеток, размещены по каждой подрешетке в отдельных вертикально установленных на расстоянии шага ФАР друг от друга антенных модулях, в которых под проводящим экраном компактно скомпонованы в одной продольной части модуля выполненный в виде печатно-полоскового делителя мощности участок подвода распределенной мощности к рабочим плечам вибраторов и во второй - фазовращатель и блок управления его переключениями, а входящая в ФТ последовательная схема распределения мощности, поступающей с линии питания, выполнена в виде смонтированных в верхней стенке корпуса горизонтальной волноводной линии питания от генератора передающей системы врубных коаксиальных разъемов с вставленными в них входными соединительными штырями фазовращателей в составе антенных модулей с возможностью регулирования отбора мощности глубиной погружения штырей в волновод. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к антенной технике, в частности к вибраторным фазированным антенным решеткам (ФАР) для летательных аппаратов в печатно-полосковом исполнении, питаемым через полосковый фидерный тракт (ФТ) от волноводной линии питания.
Разработка схемотехнического решения ФАР сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона и системы ее питания имеет комплексный и многовариантный характер в зависимости от функционального радиолокационного назначения. На разработку ФАР в значительной степени влияют условия эксплуатации антенно-фидерного устройства. Так, для вращающейся ФАР, расположенной на летательном аппарате, важнейшими задачами проектирования являются минимизация потерь электромагнитной энергии и оптимизация массогабаритных показателей.
При построении антенно-фидерного устройства приходится учитывать то, что менее громоздкие и имеющие меньший вес по сравнению с волноводными антенными решетками печатно-полосковые антенные решетки имеют большие потери, особенно в области высоких частот (см. статью Демидова В.В. и др. Печатно-полосковые вибраторные ФАР L- и S-диапазонов. - Антенны, 2001, вып.9, с.3). Эта особенность обостряется при реализации полосковых систем питания печатно-полосковых ФАР, т.к. омические потери велики для узких по ширине полосковых линий, т.е. для линий с большим волновым сопротивлением, но, вместе с тем, снижение потерь на рассеяние при уменьшении волнового сопротивления полосковой линии сопровождается ростом потерь на излучение и на поверхностные волны, что приводит к усложнению антенно-фидерного устройства, означающему, что потери на рассеивание энергии в диэлектрике и металло-технологический фактор, а потери на излучение и поверхностные волны - конструктивный фактор, т.е. зависят от структуры системы питания и могут быть минимизированы выбором соответствующей конструкции (см. реферат Резникова Г.Б. Исследование микрополосковых антенных решеток со схемой питания, в журнале Радиотехника СВЧ. ВИНИТИ, 1990, №11, с.16. по материалам зарубежной статьи A study of microstrip array antennas with the feed network. Levine E., Malamud G., Shtrikman Sh., Treves D. «IEEE Trans. On Antennas and Propag.», 1989, 37, №4, 426-434).
Сравнение известных антенных решеток с последовательными или параллельными фидерными схемами (см., например, патент США №6104343, H01Q 3/22, 2000 г.) позволяет отдать предпочтение последовательной схеме распределения мощности, поступающей с линии питания, т.к. такая схема обеспечивает простоту конструкции и компоновки (см. Справочник по радиолокации. Под ред. М.Сколника. М., «Советское радио», 1977, т.2, с.185).
В качестве наиболее близкого заявляемому изобретению по технической сущности, т.е. прототипа, выбрана линейная вибраторная ФАР, представляющая собой одномерно-сканирующее антенно-фидерное устройство и состоящая из симметричных печатных полуволновых вибраторов, расположенных в одной плоскости над проводящим экраном на расстоянии четверти средней длины волны рабочего диапазона и синфазно запитанных с помощью фидерного тракта, содержащего отрезки коаксиальной линии запитки вибраторов от делителя мощности и средства электронного сканирования на основе фазовращателей и блоков управления их переключениями (см. решение о выдаче патента РФ на изобретение «Линейная вибраторная ФАР» по заявке №2004120214/09 (021690), H01Q 21/08, приоритет от 01.07.2004 г.), делитель мощности которой имеет полосковое исполнение в виде последовательного распределителя мощности СВЧ (см. книгу Антенны и устройства СВЧ (Проектирование ФАР). Под ред. Д.И.Воскресеннского. М., «Радио и связь», 1981, с.409-410).
Основным недостатком прототипа являются недостаточно высокие эксплуатационные характеристики такого антенно-фидерного устройства в связи с наличием в нем отрезков коаксиальной линии запитки вибраторов, приводящим к дополнительным потерям и ухудшению массогабаритных показателей, при неравенстве электрической длины путей от общего входа до каждого вибратора, характерном для последовательной схемы распределения мощности с различной фазочастотной зависимостью коэффициентов передачи каналов и неравномерностью требований к электрической прочности канальных узлов распределителя.
Технический результат заявляемого изобретения - повышение эксплуатационных характеристик вращающейся удлиненной ФАР для летательного аппарата за счет снижения потерь электромагнитной энергии и поперечного габарита ФАР при одновременном повышении технологичности настройки и улучшении ремонтопригодности антенно-фидерного устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в радиолокационном одномерно-сканирующем антенно-фидерном устройстве, содержащем ФАР с симметричными печатными полуволновыми вибраторами, упорядочение расположенными над проводящим экраном на расстоянии, составляющем четверть средней длины волны рабочего диапазона, и ФТ для синфазной запитки вибраторов, представляющий собой систему питания ФАР, включающую последовательную схему распределения мощности, поступающей с линии питания, и участки подвода распределенной мощности к рабочим плечам вибраторов, и снабженную средствами электронного сканирования на основе фазовращателей, включенных в систему питания ФАР между канальными выходами указанной схемы распределения мощности и входами участков подвода распределенной мощности к рабочим плечам вибраторов и соединенных с блоками управления переключениями фазовращателей, вибраторы, сгруппированные в вертикальные укороченные линейные несканирующие подрешетки и образующие своими плечами узкую плоскую рабочую поверхность ФАР с распределением вдоль горизонтально ориентированной длины ее поверхности указанных подрешеток, размещены по каждой подрешетке в отдельных вертикально установленных на расстоянии шага ФАР друг от друга антенных модулях, в которых под проводящим экраном компактно скомпонованы в одной продольной части модуля выполненный в виде печатно-полоскового делителя мощности участок подвода распределенной мощности к рабочим плечам вибраторов и во второй - фазовращатель и блок управления его переключениями, а входящая в ФТ последовательная схема распределения мощности, поступающей с линии питания, выполнена в виде смонтированных в верхней стенке корпуса горизонтальной волноводной линии питания от генератора передающей системы врубных коаксиальных разъемов с вставленными в них входными соединительными штырями фазовращателей в составе антенных модулей с возможностью регулирования отбора мощности глубиной погружения штырей в волновод.
Для регулирования отбора мощности с волноводной линии питания ФТ при сохранении расположения антенных модулей в соответствии с схемой ФАР, влияющего на эффективность функционирования ФАР, предусмотрено выполнение входных соединительных штырей фазовращателей составными из отходящей от фазовращателя части, неподвижной после посадки антенного модуля в входное коаксиальное гнездо врубного разъема волновода, и подвижной части, соединенной с неподвижной частью штыря посредством скользящего контакта своего торцевого продольного цилиндрического паза с цилиндрическим концом неподвижной части штыря и снабженной напрессованной на ней диэлектрической втулкой, проходящей через выходное отверстие врубного разъема в волновод с возможностью регулирования и фиксации глубины погружения штыря в волновод с помощью резьбового соединения втулки с указанным отверстием.
В частном случае выполнения антенно-фидерного устройства корпус волноводной линии питания имеет прямоугольное сечение.
Для повышения эффективности сканирования печатно-полосковый делитель мощности, подводящий распределенную мощность (от волноводной линии питания) к рабочим плечам вибраторов, выполнен в виде делителя двоично-этажного типа с схемой разветвления, обеспечивающей повышенную мощность излучения в центре линейной несканирующей подрешетки.
На фиг.1 схематически изображены: А - общий вид предлагаемого антенно-фидерного устройства, Б - вид сзади антенного модуля указанного устройства; на фиг.2 - один из врубных коаксиальных разъемов, смонтированных в верхней стенке прямоугольного корпуса волноводной линии питания; на фиг.3 - результаты измерения коэффициента стоячей волны (КСВ) ФАР со стороны генератора при электронном сканировании центрального луча в секторе ±45°; на фиг.4 - сравнительная кривая измеренных потерь, приходящихся на один вибратор заявляемого устройства и прототипа, подтверждающая выигрыш в потерях предлагаемого изобретения.
Заявляемое радиолокационное антенно-фидерное устройство содержит ФАР с симметричными печатными полу волновыми вибраторами 1 (см. фиг.1), упорядоченно расположенными над проводящим экраном на расстоянии, составляющем четверть средней длины волны рабочего диапазона, и ФТ для синфазной запитки вибраторов 1, представляющий собой систему питания ФАР, включающую последовательную схему распределения мощности, поступающей с линии питания 2, и участки подвода распределенной мощности к рабочим плечам вибраторов 1, и снабженную средствами электронного сканирования на основе фазовращателей 3, включенных в систему питания ФАР между канальными выходами 4 указанной схемы распределения мощности и входами 5 участков подвода распределенной мощности к рабочим плечам вибраторов 1 и соединенных с блоками управления 6 переключениями фазовращателей 3.
Вибраторы 1 сгруппированы в вертикальные укороченные линейные несканирующие подрешетки 7 и образуют своими плечами узкую плоскую рабочую поверхность однокоординатной ФАР (см. фиг.1) с распределением вдоль горизонтально ориентированной длины ее поверхности подрешеток 7, которые размещены по одной в отдельных вертикально установленных на расстоянии шага ФАР друг от друга антенных модулях 8. В модулях 8 в одной продольной части каждого модуля под проводящим экраном компактно скомпонованы участок подвода распределенной мощности к рабочим плечам вибраторов 1, выполненный в виде печатно-полоскового делителя мощности 9 двоично-этажного типа с схемой разветвления, обеспечивающей повышенную мощность излучения в центре линейной несканирующей подрешетки 7, и во второй продольной части - фазовращатель 3 и блок управления 6 его переключениями.
Входящая в ФТ последовательная схема распределения мощности, поступающей с линии питания 2, выполнена в виде смонтированных в верхней стенке прямоугольного корпуса 10 горизонтальной волноводной линии питания 2 от генератора передающей системы (расположенного на борту летательного аппарата), врубных коаксиальных разъемов 11 с вставленными в них входными соединительными штырями 12 (см. фиг.2) фазовращателей 3 в составе антенных модулей 8 с возможностью регулирования отбора мощности глубиной погружения штырей 12 в корпус 10 волноводной линии питания 2.
При этом входные соединительные штыри 12 фазовращателей 3 выполнены составными из отходящей от фазовращателя 3 части 13 (на фиг.1 и 2 часть 13 изображена без цилиндрического экрана, с которым она образует коаксиальную вилку), неподвижной после посадки антенного модуля в входное коаксиальное гнездо 14 врубного разъема 11, и подвижной части 15, соединенной с неподвижной частью 13 штыря 12 посредством скользящего торцевого продольного цилиндрического паза 16 с цилиндрическим концом неподвижной части 13 штыря 12. Подвижная часть 15 снабжена напрессованной на ней (своим верхним участком) диэлектрической втулкой 17 с воздушным зазором (для согласования) между поверхностью части 15 и внутренней поверхностью втулки 17 на протяжении ее длины под напрессованным верхним участком втулки 17. Втулка 17 проходит через выходное отверстие 18 врубного разъема 11 в корпус 10 волноводной линии питания 2 с возможностью регулирования и фиксации глубины погружения подвижной части 15 штыря 12 в прямоугольный корпус 10 с помощью резьбового соединения втулки 17 с отверстием 18.
Антенно-фидерное устройство работает в режиме одномерного электронного сканирования с обеспечением однополярного излучения линейными несканирующими подрешетками 7 в широкой полосе частот с качанием луча однокоординатной ФАР в секторе ±45°.
При этом высокочастотная энергия, поступающая из генератора передающей системы по волноводной линии питания 2 через врубные разъемы 11, подается на входные штыри 12 фазовращателей 3 и далее через печатно-полосковый делитель мощности 9 поступает на линейные несканирующие подрешетки 7 для эффективного распределения между их вибраторами 1 и излучения высокочастотной энергии узкой рабочей поверхностью ФАР, составленной из рабочих плеч вибраторов 1 распределенных подрешеток 7. С помощью блоков управления 6 фазовращатели 3 осуществляют сдвиг фазы сигналов в соответствии с режимом одномерного электронного сканирования.
Регулирование отбора мощности, поступающей с линии питания 2, осуществляется изменением глубины погружения штыря 12 в результате поворота диэлектрической втулки 17 с закрепленной в ней подвижной частью 15 штыря 12 при сохранении скользящего контакта паза 16 части 15 с концом части 13 штыря 12.
В примере испытаний опытного образца заявляемого антенно-фидерного устройства на основе ФАР, состоящей из ряда несканирующих подрешеток 7, содержащих каждая по 6 вибраторов 1, на фиг.3 приведены подтверждающие работоспособность устройства результаты измерения КСВ ФАР со стороны генератора (в полосе частот сантиметрового диапазона), при которых нет выхода за границы необходимых требований к диаграмме направленности по форме и уровню боковых лепестков при качании луча в секторе ±45°.
При этом сравнение общих потерь, приходящихся на один вибратор в ФАР - прототипе (36 вибраторов) и заявляемом устройстве (6N вибраторов, где N - число несканирующих подрешеток в одном ряду полотна ФАР), выразившееся в результате, составляющем положительную разницу указанных потерь ΔР=Рпрототипа-Ризобретения, подтверждает выигрыш в потерях в предлагаемом изобретении, как показано на фиг.4.
В настоящее время на основе заявляемого изобретения заявителем продолжаются работы по доводке эксплуатационных характеристик опытного образца на основе указанной в примере ФАР.
1. Радиолокационное одномерно-сканирующее антенно-фидерное устройство, содержащее фазированную антенную решетку (ФАР) с симметричными печатными полуволновыми вибраторами, упорядоченно расположенными над проводящим экраном в соответствии с схемой ФАР на расстоянии от него, составляющем четверть средней длины волны рабочего диапазона, и фидерный тракт (ФТ) для синфазной запитки вибраторов, представляющий собой систему питания ФАР, включающую последовательную схему распределения мощности, поступающей с линии питания, и участки подвода распределенной мощности к рабочим плечам вибраторов, и снабженную средствами электронного сканирования на основе фазовращателей, включенных в систему питания ФАР между канальными выходами указанной схемы распределения мощности и входами участков подвода распределенной мощности к рабочим плечам вибраторов и соединенных с блоками управления переключениями фазовращателей, отличающееся тем, что вибраторы, сгруппированые в вертикальные укороченные линейные несканирующие подрешетки и образующие своими плечами узкую плоскую рабочую поверхность ФАР с распределением вдоль горизонтально ориентированной длины ее поверхности указанных подрешеток, размещены по каждой подрешетке в отдельных вертикально установленных на расстоянии шага ФАР друг от друга антенных модулях, в которых под плоскостью расположения проводящего экрана компактно скомпонованы в одной продольной части модуля выполненный в виде печатно-полоскового делителя мощности участок подвода распределенной мощности к рабочим плечам вибраторов и во второй - фазовращатель и блок управления его переключениями, а входящая в ФТ последовательная схема распределения мощности, поступающей с линии питания, выполнена в виде смонтированных в верхней стенке корпуса горизонтальной волноводной линии питания от генератора передающей системы врубных коаксиальных разъемов с вставленными в них входными соединительными штырями фазовращателей в составе антенных модулей с возможностью регулирования отбора мощности глубиной погружения штырей в волновод.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входные соединительные штыри фазовращателей выполнены составными из отходящей от фазовращателя части, неподвижной после посадки антенного модуля в входное коаксиальное гнездо врубного разъема волновода, и подвижной части, соединенной с неподвижной частью штыря посредством скользящего контакта своего торцевого продольного цилиндрического паза с цилиндрическим концом неподвижной части штыря и снабженной напрессованной на ней диэлектрической втулкой, проходящей через выходное отверстие врубного разъема в волновод с возможностью регулирования и фиксации глубины погружения штыря в волновод с помощью резьбового соединения втулки с указанным отверстием.
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что корпус волноводной линии питания имеет прямоугольное сечение.
4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что печатно-полосковый делитель мощности для подвода распределенной мощности к рабочим плечам вибраторов выполнен в виде делителя двоично-этажного типа с схемой разветвления, обеспечивающей повышенную мощность излучения в центре линейной не сканирующей подрешетки.
