Распределительная система для фазированной антенной решетки
Владельцы патента RU 2554521:
Открытое акционерное общество Центральное конструкторское бюро аппаратостроения (RU)
Изобретение относится к полосковой СВЧ антенной технике, в частности к распределительной системе для фазированной антенной решетки. Технический результат - формирование оптимальных амплитудных распределений для суммарной и разностной диаграмм направленности (ДН), возможность реализации в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн. Для этого распределительная система для ФАР состоит из двух основных и двух дополнительных линейных делителей мощности с последовательной схемой деления, выполненных на направленных ответвителях, объединенных между собой фазирующими секциями. Входы линейных делителей мощности соединены с выходами суммарно-разностной схемы, имеющей один суммарный и один разностный входы. Выходы распределительной системы выполнены в виде коаксиально-полосковых переходов, к части выходов направленных ответвителей дополнительных линейных делителей мощности присоединены согласованные нагрузки, в качестве которых применены полосковые корпусные СВЧ-резисторы. Распределительная система конструктивно выполнена в виде слоистой структуры, содержащей подложку с нанесенным на нее рисунком центральных проводников симметричной полосковой линии, установленной между слоями диэлектрика. Слои металла представляют собой экраны симметричной полосковой линии, на которых закреплены выходные коаксиально-полосковые переходы. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к полосковой СВЧ антенной технике, в частности к распределительной системе для фазированной антенной решетки.
Известен волноводный распределитель для фазированной антенной решетки (ФАР) с оптимизированными характеристиками излучения, состоящий из основного и дополнительного линейных делителей, объединенных соответственно первым и вторым магистральными волноводами, а также диэлектрические вкладыши и согласованные нагрузки (патент РФ №2428771, H01P 5/18, H01Q 3/26, 2009 г.).
Недостатками приводимого технического решения являются сложность конструкции, технологическая сложность изготовления, большие масса и габариты распределителя в низкочастотных диапазонах, сложность его реализации при массовом производстве.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является волноводная распределительная система, реализующая схемное решение по раздельному формированию амплитудных распределений по суммарному и разностному каналам, содержащая основной и дополнительный линейные делители мощности, возбуждаемые двумя гибридными элементами, соединенными между собой направленным ответвителем (Alfred R. Lopez "Monopulse Networks for Series Feeding an Array Antenna" IEEE Transactions on antennas and propagation, vol. AP-16, NO. 4, July 1968).
Недостатками прототипа являются:
- сложность реализации в низкочастотных диапазонах длин волн;
- высокая трудоемкость изготовления;
- большие масса и габариты распределительной системы;
- конструктивно-технологическая сложность изготовления.
Перед авторами стояла задача создания распределительной системы для фазированной антенной решетки, лишенной перечисленных недостатков.
Задача решена за счет того, что распределительная система для фазированной антенной решетки, содержащая суммарно-разностную схему, выполненную на гибридных элементах, два основных и два дополнительных линейных делителя мощности, выполненных на направленных ответвителях, содержащих первичные и вторичные линии, а также фазирующие секции и согласованные нагрузки, выполнена на основе полосковой линии, суммарно-разностная схема конструктивно объединена с линейными делителями мощности, основные плечи вторичных линий направленных ответвителей дополнительных линейных делителей мощности соединены через фазирующие секции с вспомогательными плечами вторичных линий направленных ответвителей основных линейных делителей мощности.
Линейные делители мощности содержат направленные ответвители, переходное ослабление которых больше -3 dB.
Фазирующие секции выполнены в виде секции Шиффмана. Распределительная система выполнена на основе симметричной полосковой линии, заполненной диэлектриком.
Распределительная система конструктивно выполнена в виде слоистой структуры, содержащей слои металла, диэлектрика и подложки с нанесенным на нее рисунком центральных проводников симметричной полосковой линии.
К части выходов направленных ответвителей дополнительных линейных делителей мощности присоединены согласованные нагрузки.
Выходы распределительной системы выполнены в виде коаксиально-полосковых переходов.
В качестве согласованных нагрузок применены полосковые корпусные СВЧ-резисторы.
Техническим результатом заявляемой распределительной системы является формирование оптимальных амплитудных распределений для суммарной и разностной диаграмм направленности (ДН), возможность реализации в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн при одновременном снижении массы, габаритов и трудоемкости изготовления.
Заявляемая распределительная система для фазированной антенной решетки обладает совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.
Заявляемая распределительная система для фазированной антенной решетки, по мнению заявителя и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется при помощи чертежей, где:
- на фиг.1 представлена функциональная схема распределительной системы для ФАР;
- на фиг.2 - вариант конструктивного исполнения распределительной системы для ФАР;
- на фиг.3 - расчетная разностная ДН, по осям абсцисс - угловое положение в градусах, по осям ординат отложены уровни сигналов в дБ;
- на фиг.4 - расчетная суммарная ДН.
Распределительная система для ФАР состоит из двух основных и двух дополнительных линейных делителей 1 и 2 мощности с последовательной схемой деления, выполненных на направленных ответвителях 3 и 4, объединенных между собой фазирующими секциями 5. Входы линейных делителей 1 и 2 мощности соединены с выходами суммарно-разностной схемы 6, имеющей один суммарный и один разностный 7 и 8 входы. Выходы распределительной системы выполнены в виде коаксиально-полосковых переходов 9, к части выходов направленных ответвителей дополнительных линейных делителей 2 мощности присоединены согласованные нагрузки 10, в качестве которых применены полосковые корпусные СВЧ-резисторы 11.
Для обеспечения в распределительной системе переходного ослабления более -3 dB в схемы линейных делителей 1 и 2 мощности внесены изменения, в результате которых функциональные назначения основных плеч первичных и вторичных линий направленных ответвителей 4 изменены таким образом, что основные плечи вторичных линий направленных ответвителей 4 являются продолжением линейных делителей 1 и 2 мощности, а основные плечи первичных линий - выходами линейных делителей 1 и 2 мощности.
В качестве фазирующих секций 5 применены секции Шиффмана, представляющие собой четырехполюсник на основе связанных линий.
Предлагаемая распределительная система конструктивно выполнена в виде слоистой структуры, содержащей подложку 12 с нанесенным на нее рисунком центральных проводников 13 симметричной полосковой линии, установленной между слоями диэлектрика 14. Слои 15 металла представляют собой экраны симметричной полосковой линии, на которых закреплены выходные коаксиально-полосковые переходы 9.
Распределительная система работает следующим образом. При работе распределительной системы "на передачу" СВЧ-сигнал, поступающий на вход 7 суммарно-разностной схемы 6, равноамплитудно делится между двумя основными линейными делителями 1 мощности. Часть сигнала, поступающего на основные плечи первичных линий направленных ответвителей 3 и 4, ответвляется и поступает на основные плечи вторичных линий направленных ответвителей 3 или проходит на вспомогательные плечи первичных линий направленных ответвителей 4, откуда поступает на выходы распределительной системы, выполненные в виде коаксиально-полосковых переходов 9. Переходные ослабления направленных ответвителей 3 и 4 основных линейных делителей 1 мощности выбраны из соображения формирования оптимального амплитудного распределения, необходимого для получения необходимой суммарной диаграммы направленности.
При работе распределительной системы "на прием" часть СВЧ-сигнала со входов распределительной системы, представляющих собой коаксиально-полосковые переходы 9, поступает на основные плечи вторичных линий направленных ответвителей 3 или на основные плечи первичных линий направленных ответвителей 4 основных линейных делителей 1 мощности, откуда он ответвляется в основные плечи первичных линий направленных ответвителей 3 или проходит на основные плечи первичных линий направленных ответвителей 4 основных линейных делителей 1 мощности, и далее поступает на выходы суммарно-разностной схемы 6. Часть СВЧ-сигнала с основного плеча вторичной линии направленных ответвителей 3 поступает во вспомогательные плечи вторичных линий направленных ответвителей 3 или ответвляется и поступает с основных плеч первичных линий направленных ответвителей 4 на вспомогательные плечи вторичных линий направленных ответвителей 4 основных линейных делителей 1 мощности, проходя через фазирующие секции 5 и приобретая сдвиг фазы, поступает в основные плечи вторичных линий направленных ответвителей 3 дополнительных линейных делителей 2 мощности, откуда часть СВЧ-сигнала ответвляется в основные плечи первичных линий направленных ответвителей 3 дополнительных линейных делителей 2 мощности или поступает на вторичные плечи первичных линий направленных ответвителей 4 дополнительных линейных делителей 2 мощности, откуда часть СВЧ-сигнала проходит в основные плечи первичных линий 4 дополнительных линейных делителей 2 мощности, а затем поступает на выходы суммарно-разностной схемы 6. Часть СВЧ-сигнала, поступающего на основные плечи вторичных линий направленных ответвителей 3 дополнительных линейных делителей 2 мощности, проходит во вспомогательные плечи вторичных линий направленных ответвителей 3 дополнительных линейных делителей 2 мощности, а та часть СВЧ-сигнала, которая поступает на вспомогательные плечи первичных линий направленных ответвителей 4 дополнительных линейных делителей 2 мощности, ответвляется во вспомогательные плечи вторичных линий направленных ответвителей 4 дополнительных линейных делителей 2 мощности, где поглощается согласованными нагрузками 10.
Сигнал, поступивший с входов основных и дополнительных линейных делителей 1 и 2 мощности в суммарно-разностную схему 6, формирует оптимальные амплитудные распределения, необходимые для получения суммарной ДН (выход 7), посредством синфазного сложения сигналов с основных линейных делителей 1 мощности, и разностной ДН (выход 8), посредством синфазно-противофазного сложения с основных и дополнительных линейных делителей 1 и 2 мощности.
Таким образом, технико-экономические преимущества предлагаемого решения заключаются в уменьшении массогабаритных характеристик изделия, упрощении конструкции, повышении технологичности при серийном производстве, уменьшении трудоемкости изготовления при сохранении оптимальных электрических характеристик.
На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация заявляемой распределительной системы для ФАР, изготовлен опытный образец, работающий в S-диапазоне. Электрические характеристики опытного образца распределительной системы соответствуют расчетным. Проведенные испытания опытного образца подтвердили технико-экономические преимущества распределительной системы по сравнению с известными устройствами, в том числе с прототипом, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.
1. Распределительная система для фазированной антенной решетки, содержащая суммарно-разностную схему, выполненную на гибридных элементах, два основных и два дополнительных линейных делителя мощности, выполненных на направленных ответвителях, содержащих первичные и вторичные линии, а также фазирующие секции и согласованные нагрузки, отличающаяся тем, что она выполнена на основе полосковой линии, суммарно-разностная схема конструктивно объединена с линейными делителями мощности, основные плечи вторичных линий направленных ответвителей дополнительных линейных делителей мощности соединены через фазирующие секции с вспомогательными плечами вторичных линий направленных ответвителей основных линейных делителей мощности.
2. Распределительная система по п.1, отличающаяся тем, что линейные делители мощности содержат направленные ответвители, переходное ослабление которых больше -3 dB.
3. Распределительная система по п.1, отличающаяся тем, что фазирующие секции выполнены в виде секций Шиффмана.
4. Распределительная система по п.1, отличающаяся тем, что выполнена на основе симметричной полосковой линии, заполненной диэлектриком.
5. Распределительная система по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена в виде слоистой структуры, содержащей слои металла, диэлектрика и подложки с нанесенным на нее рисунком центральных проводников симметричной полосковой линии.
6. Распределительная система по п.1, отличающаяся тем, что к части выходов направленных ответвителей дополнительных линейных делителей мощности присоединены согласованные нагрузки.
7. Распределительная система по п.1, отличающаяся тем, что выходы распределительной системы выполнены в виде коаксиально-полосковых переходов.
8. Распределительная система по п.1, отличающаяся тем, что согласованные нагрузки выполнены в виде полосковых корпусных СВЧ-резисторов.
