Двухдиапазонная антенная система

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокационных станциях наземного и бортового базирования. Техническим результатом является увеличение коэффициента усиления и повышение помехоустойчивости антенной решетки низкочастотного диапазона. В двухдиапазонной антенной системе длины l₁ продольных проводников Н-образных симметричных вибраторов выбраны в интервале l₁=(0,209±0,15)λ, где λ - длина рабочей волны. Длины l₂ поперечных проводников выбраны в интервале от l₂=(0,05±0,015) при l₁=0,209λ до l₂=(0,01±0,0005)λ при l₁=0,15λ. Длины l₃ симметрирующих щелей выбраны в интервале от l₃=(0,18±0,005) при l₁=0,209λ до l₃=(0,146±0,002)λ при l₁=0,15λ. На стойках установлены диэлектрические трубки с толщиной стенки (0,002-0,05)λ из материала с диэлектрической проницаемостью ε=2-2,5. 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике, а именно к области антенной техники, и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) наземного и бортового базирования.

Известна двухчастотная антенная решетка (пат. США №4097868, кл. 343-727, 1978) из двух совмещенных в одной апертуре антенных решеток (АР). Одна АР состоит из волноводных излучателей и работает в высокочастотном (ВЧ) диапазоне, другая выполнена из расположенных над раскрывом ВЧ АР полуволновых симметричных вибраторных излучателей и работает в низкочастотном (НЧ) диапазоне. При работе известной антенной решетки имеет место значительное влияние вибраторов на характеристики излучения ВЧ АР, обусловленное паразитным возбуждением плеч вибраторов полем ВЧ АР (см., например, Пономарев Л.И., Соловьев Е.В. Двухчастотная волноводно-вибраторная совмещенная ФАР. Изв. вузов - Радиоэлектроника, т.24, №5, с.23, 1981). Это вызывает увеличение уровня боковых лепестков и снижение коэффициента усиления ВЧ АР.

Известна также двухчастотная антенная система, содержащая вибраторы НЧ-диапазона, расположенные над волноводной ВЧ АР, в которой для ослабления влияния НЧ АР на характеристики ВЧ АР используются вибраторы Н-образной конфигурации. Активные плечи таких вибраторов имеют меньшую чем половина волны длину и рассеивают меньше энергии. Эта антенная система (АС) наиболее близка по своей технической сущности к заявляемой и может быть принята за прототип. При работе известной АС в НЧ-диапазоне часть энергии из-за большой длины l₂ пассивных плеч (равной длине активных) уносится кроссполяризационной компонентой поля, что приводит как к уменьшению коэффициента усиления (КУ) НЧ АР по основной (линейной) поляризации, так и к ухудшению помехозащищенности НЧ АР по кроссполяризации. Помимо этого, широкополосное согласование Н-вибраторов, размеры плеч которых выбраны по прототипу, оказывается возможным лишь с помощью дополнительных внешних устройств (шлейфов, трансформаторов и т.п.), использовать которые в совмещенных излучающих системах из-за конструктивных ограничений, как правило, невозможно. По этой причине в известной АС имеют место дополнительные потери КУ в полосе частот НЧ-диапазона.

Устранение указанных недостатков и является целью настоящего изобретения. Указанная цель достигается тем, что для согласования Н-образных вибраторов в НЧ-диапазоне длину l₁ активного плеча выбирают в интервале от 0,209λ до 0,15λ, длину l₂ пассивного плеча выбирают равной от (0,05±0,015)λ при l₁=0,209λ до (0,01±0,0005)λ при l₁=0,15λ, а длину l₃ симметрирующих щелей выбирают равной от (0,18±0,005)λ при l₁=0,209λ до (0,146±0,002)λ при l₁=0,15λ, где λ - длина волны НЧ-диапазона. При таком выборе геометрических размеров вибраторов, когда для его широкополосного согласования используют только входящие в его конструкцию элементы, длина l₂ пассивных плеч не превышает 0,24 от длины активного плеча, что приводит к значительному снижению уровня кроссполяризационной компоненты и, следовательно, к повышению КУ НЧ АР и улучшению ее помехозащищенности.

Другим отличием является то, что на цилиндрические стойки вибраторов надеты диэлектрические трубки из материала с диэлектрической проницаемостью ε=2÷2,5 и толщиной (0,002÷0,005)λ. Наличие диэлектрического окружения с внешней стороны используемых в качестве звена согласующей цепи симметрирующих щелей, прорезанных в стойке, позволяет обеспечить согласование вибратора в рабочей полосе частот и тем самым дополнительно увеличить КУ НЧ АР. Наряду с этим диэлектрическая трубка - чехол стягивает половинки разрезанной щелями стойки, что, так же как уменьшение длины пассивных плеч, улучшает конструктивную прочность и эксплуатационные характеристики вибратора.

На фиг.1 представлена конструкция предлагаемой АС, на фиг.2 - конструкция вибратора и его эквивалентная схема, на фиг.3 изображены зоны настройки вибратора, на фиг.4 - зависимость входного импеданса вибратора от частоты.

Предлагаемая двухчастотная АС состоит (фиг.I) из вибраторов 1, встроенных в полотно 2 волноводной или вибраторной ВЧ АР. Вибратор 1 содержит (фиг.2) активные плечи 3 длиной l₁, пассивные плечи 4 длиной l₂ и поддерживающую плечи над раскрывом 2 стойку 5 из цилиндрического коаксиала с симметрирующими щелями 6 длиной l₃ и с диэлектрической трубкой 7.

Принцип работы предлагаемой АС заключается в следующем. Если поле ВЧ АР имеет линейную поляризацию, совпадающую с поляризацией вибраторов 1 НЧ АР, использование в АС вместо полуволновых (на частоте НЧ АР) Н-образных симметричных вибраторов, имеющих меньшую чем λ/2 длину активных плеч, ослабляет искажения ДН ВЧ АР (укорочение активных плеч до (0,35÷0,25)λ снижает рассеянную мощность на 15÷20%).

Вместе с тем рассмотрение характера изменения активной и реактивной составляющих проводимости на зажимах Н-образного вибратора (в точках возбуждения активных плеч) показывает, что сопротивление излучения R_EA в области резонанса при l₁ ≤0,2λ мало, поэтому задача широкополосного согласования такой нагрузки через щелевое симметрирующее устройство на 50-омный фидер оказывается трудно разрешимой. Было установлено, что эффективное излучение Н-образного вибратора в полосе частот может быть обеспечено только при наличии во входной проводимости реактивной составляющей емкостного характера, т.е. при относительно коротких пассивных плечах. Такому режиму настройки соответствует и малая добротность излучателя (методику расчета см. в статье Г.А.Чижикова. Расчет эквивалентного удлинения короткого несимметричного вибратора с емкостной нагрузкой. - Вопросы радиоэлектроники, сер. ОТ, вып.2, 1980, а также в книге Н.П.Гавели и др. Антенны, ч.I, Л.: Воениздат, 1963). Согласование вибратора в указанном режиме возможно, конечно, лишь при условии компенсации входной реактивности, которая могла бы осуществляться, например, с помощью специального шлейфа, трансформатора и т.д., т.е. с помощью дополнительного элемента конструкции. В совмещенных антенных системах, где встраиваемые излучатели должны быть предельно миниатюризованы, введение добавочных узлов и элементов, как правило, нежелательно. В качестве альтернативы традиционному подходу к решению такой проблемы была рассмотрена возможность использования для настройки наряду с длиной l ₂ пассивных плеч и длины l₃ симметрирующих щелей 6, т.е. только тех элементов, которые входят в конструкцию самого вибратора. Как показал теоретический анализ, подтвержденный результатами экспериментальной проверки, симметрирование сохраняется и при отклонении длины l₃ щелей 6 от общепринятого значения λ/4. Это объясняется тем, что на участке l₃ стойки 5 от зажимов активных плеч 3 до конца щелей 6 при замыкании центральной жилы коаксиала на оболочку образуется симметричная короткозамкнутая двухпроводная линия (с дугообразными проводниками), обеспечивающая симметричное возбуждение плеч вибратора при l₃≥/δ. Благодаря этому параметр l₃ может быть использован в качестве добавочной степени свободы при настройке, т.е. щели могут являться одним из звеньев согласующей цепи. Ее эквивалентная схема, построенная на базе схемы из статьи Т.Г.Ивановой и Е.А.Стериополо "Эквивалентная схема и расчет щелевого симметрирующего устройства" (Изв. вузов - Радиоэлектроника, т.XIX, 5, 1976), представлена на фиг.2б. Питающий фидер 8 с волновым сопротивлением W_c внутри стойки на ее разрезанном щелями участке скачком переходит в линию 9 с волновым сопротивлением 2W_o, которая нагружена на входное сопротивление Z_A на зажимах плеч вибратора (сечение d-d). В сечении с-с включен параллельный короткозамкнуты шлейф 10, образуемый одной из половинок рассеченной стойки и имеющий длину l₃, как и участок 8, и волновое сопротивление 2W_o, а в сечении d-d включен короткозамкнутый шлейф 11 (двухпроводная симметричная линия) длиною также l₃ и с волновым сопротивлением W₁.

Для исследования этой схемы была создана математическая модель, составной частью которой являлась программа, предназначенная для расчета входного сопротивления Z_A вибратора с плечами Н-образной конфигурации в составе конечной АР. В результате численного моделирования было найдено, что определенным значениям длины l₁ активных плеч вибратора при заданном уровне согласования в полосе частот до ±5% соответствует некоторое множество значений l₂ и l₃, которые на плоскости l₂ , l₃ образуют "зоны настройки" конечной величины. Протяженность каждой зоны по координатам l₂ и l₃ характеризует поле допусков на точность выполнения (по длине) щелей и пассивных плеч. В числе найденных имеются зоны, указывающие на возможность эффективной настройки Н-образных вибраторов с очень короткими пассивными плечами (фиг.3). Расчеты проводились для W_o=50 Ом и соотношений диаметров активного и пассивного плеч в пределах 2,5÷1,65 с учетом диэлектрика, окружающего стойку, и при диэлектрическом же ее заполнении.

Оптимальными для настройки оказались значения ε в пределах 2÷2,5 (соответствует, например, фторопласту).

Найденные зоны настройки укладываются в следующие простые соотношения для размеров l₁, l₂ и l ₃:

при изменении длины l₁ от 0,209λ до 0,15λ длина l₂ изменяется от (0,05±0,005)λ до (0,01±0,0005)λ, а длина l₃ изменяется при этом от (0,18±0,005)λ до (0,146±0,002)λ.

Для проверки расчетных соотношений между длинами l₁, l₂ и l₃ были изготовлены макеты Н-образных вибраторов. Их основу составил 50-омный коаксиальный кабель (РК50-2-22), экранная оболочка которого на одном конце была заменена жесткой латунной трубкой с прорезанными в ней симметрирующими щелями, с закороченной на одну половину стойки центральной жилой и присоединенными в этом месте излучающими плечами. На стойку одевалась фторопластовая трубка толщиной (0,002÷0,005)λ. Эксперимент подтвердил теоретические и расчетные прогнозы. Кривые зависимости к_ст от частоты для двух вариантов исполнения вибраторов показаны на фиг.4. (точки - теория, крестики - эксперимент).

Укорочение пассивных плеч по сравнению с предписанными прототипом значениями приводит к уменьшению доли энергии, излучаемой НЧ АР по кросскомпоненте поля, и обеспечивает как соответствующее увеличение КУ НЧ АР на "своей" поляризации, так и улучшение помехозащищенности АС в НЧ-диапазоне по кроссполяризации. Был изготовлен макет НЧ АР из 64 вибраторов Н-образной конфигурации, геометрические размеры которых соответствовали предложенным. Сравнение с АР-прототипом показало увеличение КУ на 10-15%. Уровень кроссполяризационного излучения оказался ниже на 10÷12 дБ. Дополнительным преимуществом предлагаемой АС оказалось улучшение эксплуатационных характеристик, обусловленное повышением механической прочности вибраторов при укорочении их пассивных плеч и введении одеваемой на стойку каждого из них фторопластовой трубки, что позволило исключить специальные конструктивные элементы, стягивающие половинки разрезанной щелями стойки. Еще одним преимуществом предлагаемой АС является сокращение трудоемкости изготовления и настройки НЧ АР примерно в два раза.

Формула изобретения

Двухдиапазонная антенная система, содержащая антенную решетку высокочастотного (ВЧ) диапазона с линейной поляризацией поля и расположенные над ней параллельно ее электрическому вектору Н-образные симметричные вибраторы антенной решетки низкочастотного (НЧ) диапазона, установленные на стойках, выполненных из отрезков коаксиальной линии с симметрирующими щелями, отличающаяся тем, что, с целью увеличения коэффициента усиления и повышения помехоустойчивости антенной решетки НЧ-диапазона, длины l₁ продольных проводников H-образных симметричных вибраторов выбраны в интервале l₁=(0,209±0,15)λ, где λ - длина рабочей волны, длины l₂ поперечных проводников выбраны в интервале от l₂=(0,05±0,015) при l₁=0,209λ до l₂=0,01±0,0005/λ при l₁=0,15λ, длины l₃ симметрирующих щелей выбраны в интервале l₃=(0,18±0,005) при l₁=0,209λ, до l₃=(0,146±0,002)λ при l₁=0,15λ, а на стойках установлены диэлектрические трубки с толщиной стенки (0,002-0,005)λ из материала с диэлектрической проницаемостью ε=2-2,5.

РИСУНКИ