Гибридная зеркальная антенна

Изобретение относится к антенной технике, в частности к гибридным антеннам, и может быть использовано в системах радиолокации, связи и радиоэлектронной борьбы. Техническим результатом является упрощение конструкции при сохранении высоких значений коэффициента усиления и коэффициента использования поверхности. Технический результат достигается тем, что гибридная зеркальная антенна включает линейную решетку рупоров с входными волноводами прямоугольного сечения и зеркало в виде параболического цилиндра, дополнительный рупор прямоугольного сечения и фазокорректирующие элементы, при этом рупоры решетки являются Е-секториальными, стенки Е-секториальных рупоров расширены в плоскости, параллельной фокальной оси параболического цилиндра, их выходные размеры превышают длину волны, размеры входного и выходного сечения дополнительного рупора в этой плоскости равны длине решетки Е-секториальных рупоров, причем стенки дополнительного рупора расширены в ортогональной плоскости, а фазокорректирующие элементы установлены между выходами Е-секториальных рупоров и входом дополнительного рупора. 3 з.п. ф-лы, 18 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к гибридным антеннам и может быть использовано в системах радиолокации, связи и радиоэлектронной борьбы.

Гибридные антенны состоят из облучающей или приемной решетки, в том числе фазированной антенной решетки (ФАР) и фокусирующего устройства (линзы или зеркала). Достоинствами гибридных антенн по сравнению с ФАР является относительное небольшое число элементов облучающей решетки при большом коэффициенте усиления антенной системы. Преимуществами по сравнению с классическими зеркальными антеннами с одиночным облучателем и многолучевыми антеннами (см., например, RU2293409 С2, ФГУП "ВНИИ "Градиент", 10.02.2007) является возможность суммирования мощности в элементах облучающей решетки в одном луче и возможность электрического сканирования этим лучом. При этом наибольшее распространение получили гибридные зеркальные антенны, у которых меньше вес и тепловые потери по сравнению с линзовыми.

Известна гибридная зеркальная антенна, содержащая отражатель в виде вырезки из параболоида вращения и облучающую антенную решетку (RU2524839 С1, ФГУП НИИР, 10.08.2014). Недостатком антенны является узкая полоса частот и сложность конструкции как самой (двумерно-периодической) антенной решетки, так и системы ее питания, необходимой для реализации высоких значений коэффициентов усиления (КУ) и использования поверхности (КИП), что, в свою очередь, требует реализации неравномерного амплитудно-фазового распределения в элементах решетки. Фазовое распределение зависит от частоты, поэтому его сложно реализовать в широкой полосе частот.

Ближайшим аналогом изобретения является конструкция гибридной зеркальной антенны (US8743001 (В2), GULER MICHAEL G EMS, TECHNOLOGY INC, 03.06.2014), которая содержит отражатель в виде параболического цилиндра и линейную (одномерно-периодическую) облучающую решетку рупорных антенн. Для реализации высоких значений КУ и КИП такой антенны необходимо реализовать линейное, в частности, постоянное фазовое, а также постоянное амплитудное распределения в элементах решетки. Такие распределения нетрудно реализовать в широкой полосе частот при условии, что период решетки рупорных антенн меньше длины волны. При этом соответствующий уровень боковых лепестков -13 дБ. Уровень боковых лепестков можно понизить за счет использования спадающего к краям апертуры распределения амплитуды при соответствующем падении значений коэффициентов КУ и КИП.

При большой электрической длине решетки число рупорных антенн становится большим, что усложняет конструкцию как самой антенны, так и ее системы питания. Это приводит к повышению стоимости антенны. Еще большее увеличение затрат происходит при подключении к входам рупоров управляемых фазовращателей, число которых растет с увеличением числа рупоров. При уменьшении числа рупоров за счет увеличения размеров апертуры в плоскости, параллельной фокальной оси параболического цилиндра начинает расти боковое излучение антенны, а КУ и КИП падают. При увеличении периода более длины волны уровень боковых лепестков приближается к уровню главного лепестка.

Настоящее изобретение направлено на упрощение конструкции гибридной зеркальной антенны с цилиндрическим зеркалом и линейной решеткой рупорных антенн при сохранении высоких значений КУ и КИП, что и является техническим результатом изобретения.

Патентуемая гибридная зеркальная антенна (ГЗА) включает линейную решетку рупоров с входными волноводами прямоугольного сечения и зеркало в виде параболического цилиндра.

Отличие состоит в том, что она содержит дополнительный рупор прямоугольного сечения и фазокорректирующие элементы. Рупоры решетки выполнены Е-секториальными, стенки Е-секториальных рупоров расширены в плоскости, параллельной фокальной оси параболического цилиндра, их выходные размеры превышают длину волны. Размеры входного и выходного сечения дополнительного рупора в этой плоскости равны длине решетки Е-секториальных рупоров, причем стенки дополнительного рупора расширены в ортогональной плоскости, а фазокорректирующие элементы установлены между выходами Е-секториальных рупоров и входом дополнительного рупора.

Гибридная зеркальная антенна может характеризоваться тем, что каждый фазокорректирующий элемент выполнен в виде цилиндрической плоско-выпуклой диэлектрической линзы, установленной в отрезке прямоугольного волновода, закрепленном между выходами Е-секториальных рупоров решетки и входом дополнительного рупора, причем плоская часть каждой линзы примыкает к выходу Е-секториального рупора.

Гибридная зеркальная антенна может характеризоваться и тем, что на обеих поверхностях цилиндрической плоско-выпуклой диэлектрической линзы выполнены согласующие элементы в виде выступов.

Гибридная зеркальная антенна может характеризоваться также тем, что зеркало ограничено металлическими экранами, ортогональными фокальной оси параболического цилиндра, жестко связанными с искривленными кромками зеркала и узкими стенками дополнительного рупора.

Достижение технического результата - упрощение конструкции ГЗА по сравнению с прототипом, обеспечивается использованием секториальной (планарной) конструкции рупоров решетки вместо пирамидальной (объемной) и уменьшением их числа. Линейная решетка Е-секториальных рупоров обеспечивает реализацию плоского фронта излученной антенной волны в одной плоскости. Входной размер рупоров решетки в Ε-плоскости соответствует размеру одномодового волновода в этой плоскости (менее половины длины волны). Входной размер рупоров решетки в ортогональной (Н) плоскости соответствует размеру одномодового волновода в этой плоскости (более половины и менее длины волны). Формирование диаграммы направленности (ДН) облучающей решетки в этой плоскости обеспечивается дополнительным Н-секториальным рупором, а ДН ГЗА - параболическим цилиндром. Дополнительный рупор может быть как регулярным (линейным), так и нерегулярным (с криволинейными или линейно-ломаными стенками).

Существо изобретения поясняется на чертежах, где:

Фиг. 1 - общий вид ГЗА с решеткой из 4-х рупорных антенн;

Фиг. 2 - ГЗА, вид спереди;

Фиг. 3 - то же, что на фиг.2, вид сбоку;

Фиг. 4 - то же, что на фиг.2, вид снизу;

Фиг. 5 - пример волноводного делителя мощности для питания решетки рупоров;

Фиг. 6, 7 - Е-секториальный рупор с линзой и участком Н-секториального рупора: продольное сечение в Η-плоскости (фиг.6) и в Е-плоскости (фиг.7);

Фиг. 8, 9 - цилиндрическая плоско-выпуклая диэлектрическая линза с согласующими выступами (вид в сечении) и общий вид;

Фиг. 10 - принципиальная схема рупора с линзой;

Фиг. 11 - зависимость среднеквадратической аберрации от радиуса кривизны линзы;

Фиг. 12 - функция отображения фронтов;

Фиг. 13 - амплитудное распределение;

Фиг. 14 - зависимость коэффициента отражения облучающей решетки от частоты (ГГц);

Фиг. 15 - ДН облучающей решетки в Е-плоскости;

Фиг. 16 - ДН облучающей решетки в Н-плоскости;

Фиг. 17, 18 - ДН ГЗА в Ε-плоскости (фиг.17) и в Η-плоскости (фиг.18).

Конструкция примера реализации патентуемой антенной системы показана на фиг.1-5.

Гибридная зеркальная антенна (ГЗА) 1 включает зеркало 30 в виде части параболического цилиндра 31 и линейную решетку 10 из четырех Е-секториальных линейных рупоров 11 с входными волноводами 12 прямоугольного сечения 90×45 мм, выходными волноводами 13 сечением 90×312 мм. Внутри выходных волноводов 13 расположены корректирующие линзы. Выходные волноводы 13 соединены с входом дополнительного Н-секториального рупора 20 с входным прямоугольным сечением 248 мм. Размер входного сечения дополнительного рупора 20 по направлению OZ, ортогональному фокальной оси ОХ, совпадает с соответствующим размером сечения рупоров 11 антенн решетки 10, а по направлению параллельному фокальной оси ОХ параболического цилиндра 31, равен общей длине L решетки 10 из четырех рупоров 11. Размер выходного сечения дополнительного рупора 20 по направлению ОХ равен входному, а по направлению OZ - определяется из условия оптимального облучения параболического цилиндра 31. Профили дополнительного рупора 20 и рупоров 11 решетки 10 расширяются в ортогональных плоскостях (ОΥ и ΟΖ). Рупоры 11 решетки расширены в Ε-плоскости, ортогональной широким стенкам 121 волноводов 12 прямоугольного сечения, и расположены с периодом Т, равным размеру выходного сечения, превышающим длину λ волны (Τ>λ). Между выходными сечениями 111 рупоров 11 решетки и входом 21 дополнительного рупора 20 установлены фазокорректирующие элементы 41. Пример волноводного делителя 120 мощности для питания решетки 10 рупоров показан на фиг.5.

Каждый фазокорректирующий элемент 41 выполнен в виде цилиндрической плоско-выпуклой диэлектрической линзы 50, установленной в отрезке 51 прямоугольного волновода 52, закрепленного между выходными сечениями рупоров 11 решетки и входом 21 дополнительного рупора 20 (фиг.6-9).

На обеих поверхностях цилиндрической плоско-выпуклой диэлектрической линзы 50 выполнены согласующие элементы в виде выступов 501.

Зеркало 30 ограничено металлическими экранами 32, ортогональными фокальной оси ОХ параболического цилиндра 31, жестко связанными в зоне 331 с искривленными кромками 311 зеркала 30 и узкими стенками 22 дополнительного рупора 20 и закрепленными относительно основания 33. Экраны 32 играют двойную роль: повышают жесткость конструкции и уменьшают дифракционные потери на переливание (spill-over).

Для ГЗА с зеркалом 30 в виде параболического цилиндра 31 и разреженной (с периодом более длины волны) решеткой рупоров 11 возможно обеспечить высокие значения КУ и КИП, если фокальная ось ОХ цилиндра 31 параллельна вектору Ε и фазовое распределение на выходной апертуре решетки 10, и в том числе в апертуре рупора 20 в этой плоскости, близко к равномерному.

Для корректировки фазы при сохранении постоянства амплитуды на выходе Е-секториального рупора 20 в Ε-плоскости можно использовать цилиндрическую диэлектрическую плоско-выпуклую линзу 50 (фиг.6-9). Облучающая решетка содержит четыре Е-секториальных рупора 11, четыре корректирующих диэлектрических цилиндрических линзы 50 и нерегулярный дополнительный рупор 20 в Η-плоскости со стенками 201 в виде 90-градусных вырезок 202 из кругового цилиндра. Радиус цилиндра выбирается из условия оптимального облучения зеркала с заданным угловым размером в Н-плоскости. Выходная апертура рупора обозначена поз.203.

Достижение технического результата - упрощение конструкции ГЗА при сохранении высоких значений коэффициента усиления (КУ) и коэффициента использования поверхности (КИП), обосновывается результатами электродинамического моделирования с использованием метода конечных элементов (МКЭ), представленными на фиг.10-17.

Основная рупорная мода Н₁₀, проходящая через Е-секториальный рупор 20, представляет собой цилиндрическую волну с фазовым центром в начале рупора - точки G пересечения его стенок (фиг.10).

Для коррекции несинфазности поля цилиндрической волны на выходе Е-секториального рупора 20 использована цилиндрическая диэлектрическая линза 50. Проведена оценка аберраций плоско-выпуклой линзы 50 с выпуклой поверхностью в виде части круглого цилиндра с центром кривизны в точке Р.

Длина эйконала (оптического пути) центрального луча от точки G до выходного сечения перехода определяется формулой: L₀=F+nt,

где: F=GO, t=OH, n=k₂/k₁,

а - размер входного волновода в Η-плоскости, λ₀ - длина волны в вакууме, ε - диэлектрическая проницаемость материала линзы.

Длина эйконала произвольного луча определяется формулой: L=L₁+nL₂+L₃, где: L₁=GM, L₂=MN, L₃=NK=y₃-y₂, α=arctg(x₁/F), L₁=F/cos(α), x₁=L₁sin(α), x₂=x₃=x₁+y₂tg(β), β=arcsin(sin(α/n)), y₂ - положительный корень квадратного уравнения: y₂(tg2(β)+1)+2F(sinαtgβ+cosϒ)y+F₂(sin2α+cos2ϒ) - R=0, ϒ=arcsin(x_m/R), R - радиус кривизны поверхности линзы, R=d+t, d=(a₂-t₂)/2t.

Плоско-выпуклая линза с образующей в виде дуги окружности не может обеспечить точный плоский фронт (постоянную величину эйконала) на выходе перехода. Отличие от плоского фронта определяет величину аберрации эйконала, равную L - L₀, где L₀ - эйконал центрального луча. Среднеквадратическая аберрация (СКА) эйконала определяется по формуле:

где L_i - эйконал луча с номером i от источника до выходного сечения перехода; N=100 - число учтенных лучей.

Оценивается оптимальная величина радиуса кривизны линзы R, обеспечивающая минимум СКА для каждого из двух значений параметра F.

На фиг.11 показаны зависимости СКА от радиуса кривизны линзы из фторопласта (ε=2,08) с апертурой 2x_m=280 мм при F=310 мм и F=340 мм. На графиках хорошо видны минимумы СКА. Как видно из графика на фиг.11 для F=310 мм оптимальная величина R=244 мм (t=44.2 мм), а для F=340 мм - оптимальная величина R=266 мм (t=39.8 мм). Как видно из графика, величина СКА при оптимальных параметрах линзы достаточно мала.

Проведена оценка амплитудного распределения на выходе Е-секториального рупора 20. Координата точки Υ выхода луча выражается через угол α выхода луча по формуле:

Υ=Ftgα+(Χ+t)tgθ, θ=arcsin(sinα/n), где:

; b=(R+Qtgθ)cos2θ; c=Q2cos2θ, Q=Ftgα+ttgθ.

Функция отображения y(α) фронтов до и после линзы 50 показана на фиг.12, а распределение амплитуды А(у)=(dy/dα)F - на фиг.13. Как видно из графиков функция отображения практически линейная, при этом амплитудное распределение после прохождения линзы, которое выражается через ее производную, соответственно, остается практически постоянным.

Для уменьшения потерь при отражении от стыка волновода 52 с рупором 11 участки стенок рупора 20 вблизи стыка могут быть выполнены криволинейными. Введение линзы 50 в конструкцию приводит к дополнительным потерям на отражение (кроме отражения от стыков). Для уменьшения отражения от поверхностей линзы 50 в конструкцию введены согласующие диэлектрические выступы 501 толщиной t_B и высотой h (фиг.6-9).

Для уменьшения отражения от входа Н-секториального рупора 20, он может быть выполнен криволинейным, например, со стенками 201 в виде 90-градусных вырезок 202 из кругового цилиндра.

С использованием метода конечных элементов (МКЭ) в среде Ansys HFSS проведем исследование облучающей решетки 10 рупоров 11 с размерами входного сечения а=90 мм, b=45 мм, выходного сечения а=90 мм, b₁=312 мм и найденными выше оптимальными значениями параметра R и переменными параметрами h и t₁. В качестве начального приближения использована величина t₁, равная четверти длины волны λ в частично - заполненном диэлектриком волноводе и h=a/2. В результате, получено t₁=24 мм, при этом для F=310 мм оптимальная величина h=13,5 мм, а для F=340 мм - h=13 мм.

В результате электродинамического моделирования с использованием МКЭ был уточнен оптимальный радиус кривизны рупора в Η-плоскости (81 мм), обеспечивающий на частоте 2,4 ГГц ширину диаграммы направленности (ДН) в Н-плоскости 90 град., при уровне спадания на краю -10 дБ.

Результаты расчета частотной зависимости коэффициента отражения от входа четырехканального делителя, к выходам которого подключены входы облучающей решетки 10 из четырех Е-секториальных рупоров 11, приведены на фиг.14, а нормированные диаграммы направленности решетки 10 в Е- и Η-плоскостях на частоте 2,4 ГГц - на фиг.15, 16, соответственно.

Диаграммы направленности в Е-, и Η-плоскостях, рассчитанные на частоте 2,4 ГГц для патентуемой гибридной антенны, показаны на фиг.17, 18. Видно, что, несмотря на то, что период Τ решетки (312 мм) существенно превышает длину волны (125 мм), максимумы бокового излучения в обеих плоскостях близки к уровню -13 дБ, соответствующему равномерному амплитудно-фазовому распределению. Остальные параметры гибридной антенны сведены в таблицу.

Как следует из приведенных данных, величины КУ для данной апертуры и КИП - очень высокие.

Таким образом, патентуемая гибридная зеркальная антенна с цилиндрическим зеркалом и линейной решеткой рупорных антенн позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - упростить конструкцию элементов решетки, уменьшить их число и обеспечить при этом высокие значения КУ и КИП при соответствующем уровне боковых лепестков.

1. Гибридная зеркальная антенна, включающая линейную решетку рупоров с входными волноводами прямоугольного сечения и зеркало в виде параболического цилиндра,

отличающаяся тем, что содержит дополнительный рупор прямоугольного сечения и фазокорректирующие элементы, при этом

рупоры решетки являются Е-секториальными, стенки указанных Е-секториальных рупоров расширены в плоскости, параллельной фокальной оси параболического цилиндра, их выходные размеры превышают длину волны, а размеры входного и выходного сечения дополнительного рупора в этой плоскости равны длине решетки Е-секториальных рупоров, причем стенки дополнительного рупора расширены в ортогональной плоскости, а фазокорректирующие элементы установлены между выходами Е-секториальных рупоров и входом дополнительного рупора.

2. Гибридная зеркальная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что каждый фазокорректирующий элемент выполнен в виде цилиндрической плоско-выпуклой диэлектрической линзы, установленной в отрезке прямоугольного волновода, закрепленном между выходами Е-секториальных рупоров решетки и входом дополнительного рупора, причем плоская часть каждой линзы примыкает к выходу Е-секториального рупора.

3. Гибридная зеркальная антенна по п. 2, отличающаяся тем, что на обеих поверхностях цилиндрической плоско-выпуклой диэлектрической линзы выполнены согласующие элементы в виде выступов.

4. Гибридная зеркальная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что зеркало ограничено металлическими экранами, ортогональными фокальной оси параболического цилиндра, жестко связанными с искривленными кромками зеркала и узкими стенками дополнительного рупора.