Фазированная антенна с двумя ортогональными линейными пространственными поляризациями
Изобретение относится к высокочастотным антенным системам. Фазированная антенная решетка представляет собой пятислойную панель с волноводными излучателями, снабженную двухсетевой распределительной волноводной системой. Слои антенной решетки выполнены из материалов с высокой проводимостью. Первый лицевой слой представляет собой совокупность n-ячеек (где n - любое целое число, кратное четырем) из волноводных излучателей и согласующих элементов. Излучатели выполнены в виде открытых концов прямоугольных волноводов, расположенных по периметру согласующих элементов, при этом использована схема размещения одной пары волноводов относительно одного согласующего элемента. Согласующий элемент выполнен в виде усеченных пирамид с углом наклона граней 15-25 град. от вертикальной оси ячейки. Технический результат - обеспечение одновременного приема и передачи радиосигналов с двумя ортогональными линейными поляризациями в диапазоне частот 10,7-12,7 ГГц. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к средствам радиосвязи, в частности к высокочастотным антенным системам, которые предназначены для передачи и приема радиосигналов с разной пространственной поляризацией в диапазоне частот 10,7-12,7 ГГц.
Данная антенна позволяет обеспечивать более высокий коэффициент усиления в сравнении с известными параболическими антеннами при меньших габаритных размерах и может быть использована для связи со спутниками. Изобретение обеспечивает формирование в пространстве двух ортогональных линейных поляризаций для передаваемых сигналов и одновременный прием сигналов этих поляризаций. Возможность одновременной передачи и приема сигналов двух поляризаций существенно расширяет функциональные возможности антенной системы. Новые качества антенны достигаются за счет используемой конструктивной схемы двухполяризационных излучателей и применения двойной схемы питания излучателей, обеспечивающей независимое питание излучателей. Предлагаемая комбинация волноводных излучателей и системы питания обеспечивает работу антенны в широкой полосе частот с малым уровнем потерь в распределительной системе, что позволяет реализовать высокий коэффициент усиления всей антенны в широкой полосе частот и низкий уровень боковых лепестков. В данной системе достаточно просто может быть реализован моноимпульсный режим работы при использовании нескольких двойных Т-мостов.
В настоящее время известны антенные системы, включающие в себя фазированную антенную решетку (ФАР), излучатели, магистральные и ответвленные волноводы. Так, например, патент RU №2300833 содержит моноимпульсную фазированную антенную решетку, состоящую из линеек излучателей, соединенных с линейками фазовращателей, волноводного распределителя, состоящего из магистральных волноводов и отводов. При этом волноводный распределитель состоит из групп, построчно заполняющих весь раскрыв двухмерной моноимпульсной ФАР. Однако данная антенна не может обеспечить одновременный прием сигналов двух ортогональных линейных поляризаций и имеет сравнительно малую рабочую полосу частот (всего несколько процентов).
Известна конструкция и способ изготовления многослойного щелевого волновода, имеющего многослойную структуру, на основе металлических слоев с синтетическим диэлектрическим покрытием (патент US №6,861,996 В2 с приоритетом 01.03.2005 г., который является наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и может быть принят в качестве прототипа). В данной конструкции в разных слоях размещены волноводные распределители и продольные излучатели. Эта антенна может обеспечить работу только с одной линейной поляризацией и не может одновременно работать с двумя линейными ортогональными поляризациями. Кроме того, использованные в этой конструкции антенны волноводные делители не могут обеспечить хорошее согласование на краях рабочей полосы частот, что в итоге приводит к дополнительным потерям мощности в распределительной системе и снижению коэффициента усиления на крайних частотах рабочего диапазона. По этим причинам она имеет ограниченную область применения.
Целью заявленного изобретения является создание ФАР, обеспечивающей одновременный прием и передачу радиосигналов с двумя ортогональными линейными поляризациями в диапазоне частот 10,7-12,7 ГГц с высоким коэффициентом усиления.
Указанная цель достигается за счет новой схемы многослойной ФАР, имеющей с лицевой стороны n-квадратных ячеек, которые представляют собой открытые концы прямоугольных волноводов нижней и верхней распределительных сетей, с установленными между ними элементами в виде усеченных пирамид. К излучателям подведены волноводы по двухуровневой распределительной системе, расположенной в разных слоях антенны. При этом поставленная цель достигается за счет подбора конструктивных параметров используемых в данной антенне элементов - излучателей, распределительных сетей и согласующих элементов.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает внешний вид антенны двух ортогональных линейных поляризаций;
Фиг.2 изображает послойную структуру антенны, условно разделенную на пять слоев;
Фиг.3 изображает излучатель, который находится в ячейках первого слоя;
Фиг.4 изображает пластину второго слоя антенны (здесь показаны каналы волноводов, образованных на лицевой поверхности второго ячеистого слоя);
Фиг.5 изображает схему верхней волноводной распределительной системы, образованной прямоугольными каналами на сопряженных поверхностях второго и третьего ячеистых слоев антенны (здесь показаны каналы волноводов, образованных на тыльной поверхности второго ячеистого слоя);
Фиг.6 изображает пластину третьего слоя антенны - одну из двух пластин верхней распределительной волноводной системы;
Фиг.7 изображает пластину четвертого слоя антенны - одну из двух пластин нижней распределительной волноводной системы;
Фиг.8 изображает пластину пятого слоя антенны, также являющуюся составной частью нижней распределительной волноводной системы.
Фазированная антенная решетка с двумя линейными ортогональными пространственными поляризациями по данному изобретению представляет собой многослойную панель с волноводными излучателями и снабженную двухсетевой распределительной волноводной системой. Слои антенной решетки выполнены из материалов с высокой проводимостью. Лицевой слой 1 представляет собой совокупность n-ячеек (где n - любое целое число, кратное четырем) из волноводных излучателей 2 и согласующих элементов 3. Излучатели 2 выполнены в виде открытых концов прямоугольных волноводов, расположенных по периметру согласующих элементов 3, при этом использована схема размещения одной пары волноводов относительно одного согласующего элемента. Согласующий элемент выполнен в виде усеченных пирамид с углом наклона граней 15-25 град. от оси ячейки. Второй слой фазированной решетки 4 представляет собой объемную пластину, с лицевой стороны которой имеются прямоугольные волноводные выходы 5 с размерами (0,5-0,7)·λср для широкой стенки и (0,2-0,3)·λср для узкой стенки (λср - средняя длина волны излучения), расположенные под соответствующими волноводными излучателями 2 первого слоя.
Построенная по схеме деления параллельного типа распределительная волноводная система представляет собой двухуровневую сеть волноводов, каждая сеть которой состоит из магистральных волноводов и отводов. Верхняя распределительная волноводная сеть 6 представляет собой совокупность волноводов в виде прямоугольных каналов, образованных в тыльной поверхности второго слоя 4 и соответственно с лицевой стороны третьего слоя 7, при этом волноводы ориентированы широкой стороной перпендикулярной плоскости этих слоев. В местах разветвления волноводов выполнены делители мощности 8 в виде местного сужения волновода. Данное сужение также позволяет согласовывать делитель по входу и выходу. На выходах волноводов после делителя имеются переходные уголки 9 в виде металлических параллелепипедов.
Нижняя волноводная сеть образована двумя слоями 10 и 11 антенны, выполненных в виде металлических пластин и содержащих делители 12 в виде согласующих элементов - диафрагм 13 и четвертьволновых трансформаторов 14.
Четвертый слой 10 антенны, плотно прилегающий к тыльной поверхности ячеистого слоя 7, имеет n/4 переходных волноводных площадок 15, каждая из которых предназначена для распределения сигнала на четыре излучателя. Каждая площадка разделена на две трапециевидные части, в пределах которых пластина имеет утонение. С одной стороны оснований трапеций сделаны переходные скосы 16.
Пластина пятого слоя 11 содержит n/16 распределительных площадок 17, при этом каждая распределительная площадка для распределения сигнала на шестнадцать излучателей и представляет собой волноводную разводку с одинаковыми плечами на каждую группу переходных волноводных площадок в количестве, равном n/4. В местах соединения плеч отводов имеются металлические выступы 18 и сужения делителей 19, а на выходе волноводов установлены уголки 20.
Устройство работает следующим образом.
При работе антенны в режиме передачи электромагнитная энергия, пройдя всю распределительную сеть (верхнюю или нижнюю), излучается через открытые концы прямоугольных волноводов 2 в свободное пространство. На выходе прямоугольных волноводов сигнал имеет линейную поляризацию. Это связано с тем, что размеры широкой и узкой стенки прямоугольного волновода распределительной системы и излучателей выбираются таким образом, что в волноводе реализуется одномодовый режим (энергия сигнала переносится только модой Н10). При этом вектор напряженности электрического поля, определяющий поляризацию, направлен перпендикулярно широким стенкам прямоугольного волновода. Плоскость, в которой поляризована электромагнитная энергия, определяется как плоскость, перпендикулярная плоскости полотна антенной решетки и широким стенкам прямоугольных волноводов, излучающих эту энергию. Вторая линейная поляризация, ортогональная первой, получается в результате того, что открытые концы прямоугольных волноводов второй распределительной сети, излучающие электромагнитную энергию в свободное пространство, расположены перпендикулярно открытым концам прямоугольных волноводов первой распределительной сети.
Между излучателями, которые представляют собой открытые концы прямоугольных волноводов 2, расположены согласующие элементы 3, выполненные в виде усеченных пирамид. Они обеспечивают уменьшение амплитуды волны, отраженной от раскрыва излучателя обратно в распределительную сеть. За счет использования таких согласующих элементов увеличивается коэффициент направленного действия излучателей.
При работе антенны в режиме приема падающая из свободного пространства электромагнитная волна попадает через излучатель 2 в распределительную сеть. За счет предложенного конструктивного исполнения излучателей и схемы их взаимного расположения относительно пирамидальных согласующих элементов 3 обеспечивается развязка по поляризациям, при этом излучатели одной распределительной сети эффективно принимают только сигналы с одной линейной поляризацией, а другие эффективно принимают сигналы с другой, ортогональной первой, поляризацией. При прохождении волноводных делителей и согласующих элементов двух сетей распределительной системы происходит сложение энергии от четверок смежных излучателей и уменьшение уровня отраженной волны в широкой полосе частот за счет согласующих элементов. Согласующие элементы 9, 13, 14, 16 и 20 позволяют существенно улучшить параметры излучения во всей полосе частот и обеспечивают согласование волноводного сопротивления волновода распределительной системы и свободного пространства. После сложения мощности от всех излучателей она поступает на выходы второго 4 и пятого слоя 11 антенны соответственно одной или второй линейных поляризаций.
Предложенная в данном изобретении схема построения фазированных антенных решеток может быть использована при проектировании антенн для нестационарных объектов, т.к. позволяет минимизировать габариты и массу антенн при обеспечении высоких радиотехнических характеристик.
1. Фазированная антенная решетка с двумя ортогональными линейными пространственными поляризациями, выполненная в виде пятислойной панели из материалов с высокой проводимостью и содержащая излучатели в первом лицевом слое и двухуровневую волноводную распределительную систему, расположенную в четырех нижних слоях антенны, отличающаяся тем, что лицевой слой выполнен в виде панели, состоящей из совокупности n-излучателей в виде открытых концов прямоугольных волноводов (где n - любое целое число, кратное четырем) и согласующих элементов в виде усеченных пирамид, а нижний уровень распределительной волноводной системы образован переходными волноводными площадками четвертого и пятого слоев антенны, при этом излучатели расположены попарно относительно двух сторон основания каждой пирамиды согласующих элементов, причем грани пирамид согласующих элементов имеют угол наклона, равный 15-25° от вертикальной оси.
2. Фазированная антенная решетка с двумя ортогональными линейными пространственными поляризациями по п.1, отличающаяся тем, что четвертый слой антенны, плотно прилегающий к тыльной поверхности третьего слоя, имеет n/4 переходных волноводных площадок с перекрытием четырех излучателей, при этом каждая площадка разделена на две трапециевидные части, в пределах которых пластина выполнена с утоньшением толщины, а у оснований трапеций выполнены переходные скосы.
3. Фазированная антенная решетка с двумя ортогональными линейными пространственными поляризациями по п.1, отличающаяся тем, что пятый слой антенны содержит n/16 распределительных площадок, каждая из которых представляет собой волноводную разводку с одинаковыми плечами на каждую группу переходных волноводных площадок четвертого слоя, а в местах соединения плеч отводов имеются металлические выступы, сужения делителей и установленные на выходе волноводные уголки.
