Плоская эквидистантная антенная решетка с рефлектором открытой конструкции
Изобретение относится к антенной технике. Технический результат заключается в расширении полосы рабочих частот по уровню заднего лепестка диаграммы направленности. Сущность изобретения состоит в том, что излучающие элементы выполнены в виде директорных антенн, между антенным вибратором и рефлектором каждой из которых установлены по два отражающих элемента, которые расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости директорной антенны. Расстояние от отражательного элемента до рефлектора в плоскости директорной антенны выбрано из соотношения 0,035
ср<a<0,045ср, а расстояние между отражательными элементами в плоскости, перпендикулярной плоскости директорной антенны, выбрано из соотношения 0,39ср<b<0,41ср, где ср - средняя рабочая длина волны. Отражательные элементы могут быть выполнены в виде проводящего тросика, закрепленного на торцах антенной решетки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. 
Изобретение относится к антенной технике, в частности к антенным решеткам (АР) с рефлекторами открытой конструкции.
Предлагаемая плоская эквидистантная антенная решетка с рефлектором открытой конструкции предназначена для использования в качестве антенной системы радиолокационных станций (РЛС).
Отражательные поверхности в антенных системах предназначены в одних случаях для фокусировки электромагнитных волн, излучаемых облучателем, в других случаях они используются для подавления излучения в нежелательных направлениях, а следовательно, для концентрации излучения в нужных направлениях.
Известно, что отражатели могут быть выполнены в виде сплошной металлической или метализированной поверхности требуемой конфигурации и открытой не сплошной конструкции (каркас с металлической сеткой из проволоки или из отражательных элементов).
В системах, где требуются отражатели больших размеров, сплошная отражательная поверхность имеет большой вес и подвержена большим ветровым нагрузкам. Ветровые нагрузки на АР требуют жесткой механической конструкции. Для вращения такой конструкции в условиях больших ветровых нагрузок требуются мощные приводы.
Энергопотребление на привод вращения составляет ˜15-20% от энергопотребления РЛС. Перечисленные недостатки АР со сплошным рефлектором ограничивают применение таких АР в мобильных РЛС. Поэтому в мобильных РЛС нашли применение AP c уменьшенными весовыми и "парусными" характеристиками в виде АР с рефлекторами открытой конструкции.
В работах [1, 2] рассматривается отражательная поверхность, которая представляет собой решетку из отражательных полуволновых диполей, для крепления которых используется жесткий каркас, например, форменной конструкции.
При надлежащей настройке диполь переизлучает часть падающей на него энергии таким образом, что заднее излучение заметно уменьшается, а излучение в прямом направлении усиливается. Когда подобный вибратор помещается в решетку из одинаковых элементов, настройка нарушается вследствие влияния взаимной связи. Однако для выбранного расстояния между вибраторами можно найти новую длину вибратора, при которой он становится отражающим.
Путем экспериментальных исследований в работе [2] для отражательного рефлектора из полуволновых вибраторов, размещенных на плоскости рядами, раздвинутыми на расстояние /3, проходящая через него энергия уменьшается на 26 дБ по сравнению с энергией падающей волны. Этот отражающий экран сохраняет отражающие свойства в сравнительно узкой полосе частот fо±5% fср, где fср - средняя частота диапазона.
В то же время конструкции отражательных решеток не могут поддерживать антенные элементы, так как линии передачи электромагнитных волн расстраивают решетку. Все эти недостатки ограничивают использование представленных в работах [1, 2] АР.
В работе [3] в плоскую эквидистантную АР введены два вида столбцов: проводящие столбцы, на которых устанавливаются антенные элементы, и непроводящие (из изолированного материала), к которым крепятся отражательные элементы.
Линии передачи в такой АР могут проходить как внутри полых проводящих столбцов, так и снаружи. В этом случае излучающие свойства АР не нарушаются, пока линии передачи находятся в непосредственной близости к проводящим столбцам.
Из рассмотренных выше АР с отражателем из резонансных вибраторов наиболее близкой по технической сущности к заявленной является плоская эквидистантная АР [3], которая выбрана в качестве прототипа. АР [3] содержит отражательную сетку из параллельных проводящих столбцов (на которых крепятся антенные элементы) и отражательных решеток из настроенных элементов. Эти решетки параллельны столбцам. АР имеет конструкцию для крепления антенных элементов: столбцов и решеток.
Отражатель имеет размер и форму, подобные размеру и форме обычного металлического отражателя для плоской решетки из дипольных элементов. Отражательные решетки представляют собой столбцы из изолированного материала, на которых крепятся отражательные элементы.
Как указано в работе [3], эксперименты проводились с плоской эквидистантной АР, имеющей следующие геометрические соотношения:
диаметр проводящего столбца 0,2 ср;
расстояние между проводящими столбцами 0,88 ср;
диаметр отражательного элемента 0,05 ср;
длина проводящего цилиндра 0,26 ср;
где ср - средняя длина волны рабочего диапазона.
Такой отражающий экран сохраняет отражающие свойства в полосе рабочих частот ˜10%.
Следует отметить, что данная конструкция отражательного экрана (элементы, проводящие столбцы) имеет сравнительно (с размерами излучателя) большие поперечные размеры, что увеличивает парусность АР, энергопотребление на привод вращения.
Целью предлагаемого изобретения является создание широкополосной fo±10% fc по уровню заднего лепестка плоской эквидистантной АР.
Поставленная цель достигнута тем, что в известной плоской эквидистантной АР, взятой за прототип, содержащей излучающие и отражательные элементы, согласно изобретению в качестве излучающего элемента применена директорная антенна, между излучающим элементом и рефлектором которой установлены симметрично относительно оси директорной антенны два отражательных элемента, расположенных в плоскости, перпендикулярной плоскости директорной антенны, при этом отражательные элементы установлены на расстоянии 0,035ср<а<0,045ср, 0,39ср<b<0,41ср, где а - расстояние от отражательного элемента до рефлектора директорной антенны в плоскости антенны, b - расстояние между отражательными элементами в плоскости, перпендикулярной плоскости директорной антенны, ср - средняя длина волны рабочего диапазона, при этом с целью упрощения конструкции отражательных элементов и сохранения формы при складывании и раскладывании, они выполнены в виде проводящего тросика, закрепленного на торцах боковых сторон АР и втулках, установленных в параллельных рядах вертикальных проводящих столбцов, жестко закрепленных на АР.
Применение в плоской эквидистантной АР директорных излучателей с уровнем заднего лепестка ˜-18 дБ в полосе частот в сочетании с отражательным рефлектором, который введен в область между излучателем и рефлектором директорной антенны дает новый положительный эффект - широкополосность АР более 20% по уровню заднего лепестка ˜-25-30 дБ.
В АР [5, 6] применены директорные излучатели с одиночными рефлекторами. Одиночный рефлектор с совокупностью директоров обеспечивает уменьшение уровня заднего излучения. Однако при этом удается получить заданный уровень заднего лепестка в полосе, ограниченной ˜10%. Обычно применяемые методы уменьшения уровня заднего лепестка ДН c помощью увеличения количества директоров приводит к сужению полосы рабочих частот и не позволяют получить заданное значение уровня заднего лепестка в заданной полосе.
Таким образом, свойства этой АР в части широкополосности по уровню заднего лепестка значительно уступают заявленному техническому решению.
Из анализа известных технических решений из научно-технической патентной литературы следует, что отсутствуют АР с использованием директорных излучателей с совокупностью отражательных рефлекторов.
Отражательные рефлекторы применяют в АР дипольных излучателей [3], однако в такой АР удается получить заданный уровень заднего лепестка в полосе рабочих частот ˜10%.
Изложенная сущность предлагаемого изобретения будет понятна из нижеследующего описания и приведенных чертежей.
На фиг.1 приведена дипольная антенная решетка с отражательным рефлектором.
На фиг.2 приведена директорная антенная решетка с отражательным рефлектором.
На фиг.3 приведена директорная антенна 4.
На фиг.4 приведена зависимость уровня заднего лепестка ДН в диапазоне частот.
На фиг.1, 2 и 3 введены следующие обозначения:
1 - директорная антенна;
2 - проводящий столбец;
3 - коллинеарные решетки из отражательных элементов;
4 - отражательный элемент;
5 - диэлектрическая вставка.
Предлагаемая АР (см. фиг.2) включает в себя директорные антенны 1, которые крепятся на проводящих столбцах 2. Коллинеарные решетки 3 образованы из отражательных элементов 4, которые крепятся к проводящим столбцам 2 через диэлектрические вставки 5. Отражатель АР образован набором из коллинеарных решеток 3, закрепленных на торцах боковых сторон АР.
Антенная решетка имеет конструкцию для поддержания антенных элементов: столбцов и решеток.
Коллинеарные решетки 3 образуют совместно с собственными отражателями директорных антенн отражающий рефлектор открытой конструкции.
Расположение и количество директорных антенн 1 выбираются в соответствии о общими принципами расчета антенн.
С целью упрощения конструкции отражательных элементов 4 и сохранения формы при складывании и раскладывании, они выполнены в виде проводящего тросика, закрепленного на торцах боковых сторон АР и во втулках, установленных в параллельных рядах вертикальных проводящих столбцов, жестко закрепленных на антенне, что обеспечивает по сравнению с прототипом [3], который имеет жесткую конструкцию отражательных элементов возможность складывания (раскладывания).
Такая конструкция отражательных элементов позволяет также упростить настройку общего отражателя АР, так как нахождение оптимального положения отражательных элементов производится одновременно для всех излучателей АР.
Применение предлагаемого изобретения позволяет значительно улучшить характеристики АР: расширить в два раза полосу рабочих частот по заданному уровню заднего лепестка ДН, упростить складывание, раскладывание АР.
Источники информации
1. Procecedings of the Justitute of Radio Eugincers, v. 36, №4, 1948.
2. Сканирующие антенные системы СВЧ, под ред. Г.Т.Маркова, А.Ф.Чаплина, т.2. - Сов.радио, 1966.
3. Michael Burusidi. Antenna System Having a Reflector With a Substantially Open Construetion Patent Specification, № 1393081, 7 May 1975, INT CL2 H 01 
19/10, 15/14, p. 1-7.
4. Авторское свидетельство № 1840042 "Директорная антенна", авторы Антонов В.А. и др.
5. Харви Дж.Хинди. Наземные испытания радиолокатора с конфазированной решеткой. - Электроника, 1992, №16, с.3-4.
6. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Радио и связь, 1981, с.196-222.
Формула изобретения
1. Плоская эквидистантная антенная решетка с рефлектором открытой конструкции, содержащая излучающие и отражательные элементы, отличающаяся тем, что, с целью расширения полосы рабочих частот по уровню заднего лепестка диаграммы направленности, излучающие элементы выполнены в виде директорных антенн, между антенным вибратором и рефлектором каждой директорной антенны установлены по два отражательных элемента, которые расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости директорной антенны, при этом расстояние а отражательного элемента до рефлектора директорной антенны в плоскости директорной антенны выбрано из соотношения 0,035ср<a<0,045ср, а расстояние между отражательными элементами b в плоскости, перпендикулярной плоскости директорной антенны, выбрано из соотношения 0,39ср<b<0,41cp, где cp - средняя рабочая длина волны.
2. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции и возможности складывания, отражательные элементы выполнены в виде проводящего тросика, закрепленного на торцах антенной решетки.
РИСУНКИ
