Антенна с электрическим сканированием

 

Использование: антенны с широким сектором сканирования. Сущность изобретения: антенна с электрическим сканированием содержит апертурный ферритовый тороидальный элемент прямоугольного сечения , полосковые вибраторы в центральной части верхней широкой стенки ферритового тороидального элемента, образующие двумерную решетку, N диэлектрических стержней составной конструкции, где N - число столбцов вибраторов в плоской решетке, и управляющие проводники внутри ферритового тороидального элемента , металлический экран на нижней широкой стенке ферритового тороидального элемента, ферритовые трактовые фазосдвигающие элементы по краям ферритового тороидального элемента, вторые управляющие проводники в ферритовых Изобретение относится к антенной технике и технике миллиметровых волн и может быть использовано при создании высокоэффективных антенн с широким сектором сканирования. Известны антенны с ферритовым управлением , содержащие набор линейных волноводно-щелевых антенн, выполненных на базе круглых 1 или квадратных 2 металлизированных ферритовых волноводов. Неметрактовых фазосдвигающих элементах и элементы распределения мощности. Ферритовый тороидальный элемент выполнен составным из М независимо управляемых секций, установленных в продольном направлении в металлической арматуре. Ферриторые секции плотно прилегают одна к другой и образуют между строками вибраторов поперечные стыки. Вибраторы размещены на секциях кроме первой и последней; управляющие проводники разбиты на секции и выводятся наружу через прорези на стыках ферритовых секций и через отверстия в металлической арматуре; элементы распределения мощности выполнены непосредственно в металлической арматуре в виде одной поперечной и N продольных прорезей прямоугольного сечения, образующих в Е-плоскости соответствен но магистральный и N трактовых прямоугольных волноводов. В центре магистрального волновода прорезано дополнительное отверстие прямоугольной формы, образующее возбуждающий прямоугольный волновод, центры тактовых волноводов и торцы диэлектрических стержней совмещены. 10 ил. таллизированные участки волноводов образуют ряды излучающих щелей. Линейки волноводно-щелевых антенн возбуждаются последовательно с помощью такого же ферритового волновода через отверстия связи в его металлических стенках 1, либо с помощью полого волновода 2. Сканирование в продольной плоскости осуществляется синхронным продольным намагничиванием ферритовых волноводов линейных антенн, а 73 С кэ о О О О CJ со о

(я>s Н 01 0 13/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4846953/09 (22) 04.05,90 (46) 07.09,93, Бюл. М 33 — 36 (76) Зайцев Э.Ф., Гуськов А.Б., Канивец

А.Ю„Комаров Ю.А., Явон Ю.П. (54) АНТЕННА С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ (57) Использование: антенны с широким сектором сканирования. Сущность изобретения: антенна с электрическим сканированием содержит апертурный ферритовый тороидальный элемент прямоугольного сечения, полосковые вибраторы в центральной части верхней широкой стенки ферритового тороидального элемента. образующие двумерную решетку, N диэлектрических стержней составной конструкции, где N — число столбцов вибраторов в плоской решетке, и управляющие проводники внутри ферритового тороидального элемента, металлический экран на нижней широкой стенке ферритового тороидального элемента, ферритовые трактовые фаэосдвигающие элементы по краям ферритового тороидального элемента, вторые управляющие проводники в ферритовых

Изобретение относится к антенной технике и технике миллиметровых волн и может быть использовано при создании высокоэффективных антенн с широким сектором сканирования.

Известны антенны с ферритовым управлением, содержащие набор линейных волноводно-щелевых антенн, выполненных на базе круглых (1) или квадратных (2) металлизированных ферритовых волноводов. Неме„„RU„„ 2000633 С трактовых фазосдвигающих элементах и элементы распределения мощности, Ферритовый тороидальный элемент выполнен составным иэ M независимо управляемых секций, установленных в продольном направлении в металлической арматуре. Ферритоеые секции плотно прилегают одна к другой и образуют между строками вибраторов поперечные стыки. Вибраторы размещены на секциях кроме первой и последней; управляющие проводники разбиты на секции и выводятся наружу через прорези на стыках ферритовых секций и через отверстия в металлической арматуре; элементы распределения мощности выполнены непосредственно в металлической арматуре в виде одной поперечной и N продольных прорезей прямоугольного сечения, образующих в Е-плоскости соответственно магистральный и N трактовых прямоугольных волноводов. В центре магистрального волновода прорезано дополнительное отверстие прямоугольной формы, образующее возбуждающий прямоугольный волновод, центры тактовых волноводов и торцы диэлектрических стержней совмещены. 10 ил. таллизированные участки волноводов образуют ряды излучающих щелей, Линейки волноводно-щелевых антенн возбуждаются последовательно с помощью такого же ферритового волновода через отверстия связи в его металлических стенках (1), либо с помощью полого волновода (2). Сканирование в продольной плоскости осуществляется синхронным продольным намагничиванием ферритовых волноводов линейных антенн, а

2000633 в поперечной плоскости — намагничиванием магистрального возбуждающего волновода (1). Последовательное возбуждение линеек волноводно-щелевых антенн (1) принципиально ограничивает сектор сканирования в поперечной плоскости, а антенна (2) в этой плоскости вообще не сканирует и требует большой энергии управления из-за разомкнутого магнитопровода. Антенна имеет небольшой КПД из-за потерь в металлических стенках волновода. Конструкция антенны и распределительного устройства громоздка и препятствует применению интегральной технологии. В антеннах имеет место эффект нормали, заключающийся в синфаэном сложении отраженных от щелей волн при положении главного луча диаграммы направленности по нормали к антенне, что приводит к уменьшению коэффициента усиления антенны в этом направлении.

Антенна с электрическим сканированием (3), более близкая по конструкции, представляет собой антенну, содержащую ферритовый тороид, внутри которого установлены управляющие проводники и периодически расположенные диэлектрические стержни. На верхней широкой стенке ферритового тороида размещены излучатели в виде полосковых вибраторов, а на нижней широкой стенке установлен металлический 30 экран. На крайние участки верхней и нижней широких стенок ферритового тороида, свободные от излучателей, установлены пластины из магнитомягкого материала с гребенчатой структурой. Антенна возбужда- 35 ется Е-сектормальным рупором, согласованным с антенной с помощью диэлектрической пластины. Использование рупорного возбуждения значительно увеличивает общую площадь антенны, снижает 40 коэффициент использования ее поверхности и порождает паразитное излучение, искажающее диаграмму направленности антенны и увеличивающее уровень боковых лепестков, Использование в качестве согла- 45 сующего устройства единой для всех трактов диэлектрической пластины приводит к возбуждению паразитных типов колебаний и повышенным потерям в согласующем устройстве. Конструкция антенны (3) не позволяет реализовать спадающее к краям амплитудное распределение и низкий уро вень боковых лепестков. Работа на высоком уровне мощности приводит к неоднородному нагреву ферритовых элементов в про- 55 дольном направлении и искажению диаграммы направленности антенны. Формирование больших апертур затруднено.

Целью изобретения является увеличение уровня рабочей мощности, коэффициента направленного действия и коэффициента использования площади антенны, уменьшение потерь и уровня паразитного бокового излучения, Цель достигается тем, что в антенне с электрическим сканированием, содержащей ферритовый тороидальный элемент прямоугольного сечения, полосковые вибраторы в центральной части верхней широкой стенки ферритового тороидального элемента, образующие плоскую решетку, N диэлектрических стержней (N — число линеек в плоской решетке) и управляющие проводники внутри ферритового тороидального элемента, металлический экран на нижней широкой стенке ферритового тороидального элемента, ферритовые трактовые фазосдвигающие элементы по краям ферритового тороидального элемента, вторые управляющие проводники в ферритовых трактовых фаэосдвигающих элементах и элементы распределения мощности, ферритовый тороидальный элемент имеет составную конструкцию и выполнен из M независимо управляемых секций, установленных в продольном направлении в металлической арматуре. Ферритовые секции плотно прилегают одна к другой и образуют между столбцами вибраторов поперечные стыки.

На крайних секциях вибраторы отсутствуют, Управляющие проводники разбиты на M секций и выводятся наружу через прорези на стыках ферритовых секций и через отверстия в металлической арматуре. Элементы распределения мощности выполнены непосредственно в металлической арматуре в виде одной поперечной и N продольных прорезей прямоугольного сечения, образующих в Е-плоскости соответственно магистральный и N трактовых прямоугольных волноводов. В центре магистрального волновода прорезано дополнительное отверстие прямоугольной формы, образующее возбуждающий прямоугольный волновод.

Центры трактовых волноводов и торцы диэлектрических стержней совмещены. Каждая секция ферритового тороидального элемента может быть выполнена в виде одного тороида. Широкие стенки каждого ферритового тороида изготовлены из нескольких отдельных пластин, которые плотно прилегают одна к другой узкими стенками, причем продольные стыки расположены в промежутках между диэлектрическими стержнями. Торцы некоторых диэлектрических стержней снабжены диэлектрическими трансформаторами. Ферритовые трактовые фазосдвигающие элемен гы содежат П-образные детали, которые установлены на крайних ферритовых тороидах. Магистраль2000633

55 ный и трактовые волноводы имеют поперечные размеры (в длинах волн) около (0.7 — 0.8) х 0.4, расстояние между трактовыми волноводами составляет около 0,5 — 0,6, длина трактовых волноводов равна расстоянию между магистральным волноводом и крайним ферритовым тороидом. Между крайними диэлектрическими стержнями и узкими стенками ферритовых тороидов, а также в местах стыков ферритовых пластин введены дополнительные управляющие проводники. В центре плоской решетки один столбец вибраторов отсутствует.

С целью расширения рабочего диапазона температур и сектора сканирования в поперечной плоскости каждая секция ферритового тороидального элемента выполнена в виде N тороидов. Ферритовые тороиды, образующие трактовые фазовращатели, уложены.в полости трактовых волноводов.

Поперечные размеры и длина трактовых волноводов равны поперечным размерам и длине ферритовых тороидов. Между диэлектрическими стержнями и узкими стенками ферритовых тороидов уложено 2N управляющих проводников, которые разбиты на М секций и выводятся наружу через прорези на стыках соответствующих секций тороидов.

Диэлектрические трансформаторы могут быть выполнены двуступенчатыми с размерами первой ступени (в длинах волн) около 0,4х0.3х0.13, второй ступени 0,2х 0,2 х 0,06 либо одноступенчатыми с размерами

0,4х0,3 х 0,14 и одинаковы для всех трактов.

Диэлектрические трансформаторы могут быть выполнены неодинаковыми,а для некоторых трактов вообще отсутствовать.

Диэлектрические трансформаторы могут быть выполнены в виде частей диэлектрических стержней либо частей ферритовых тороидов, либо тех и других одновременно, выступающих за пределы крайних ферритовых тороидов и проникающих в полость трактовых волноводов.

На выступающие части диэлектрических стержней установлены дополнительные одноступенчатые диэлектрические трансформаторы с прорезью таких же размеров, что и размеры выступающих частей.

Дополнительные диэлектрические трансформаторы плотно примыкают к торцам крайнего ферритового тороида, Диэлектрические стержни могут быть выполнены составными, иэ трех частей. Крайние диэлектрические стержни расположены внутри крайних ферритовых тороидов, а центральные диэлектрические стержни— внутри центральных ферритовых тороидов.

Центральные ферритовые тороиды и центральные диэлектрические стержни установлены на верхней стороне металлической арматуры, а крайние ферритовые тороиды, крайние диэлектрические стержни и элементы распределения мощности — на нижней стороне металлической арматуры, Верхние и нижние ферритовые тороиды и диэлектрические стержни соединены дополнительными тороидами и 2N дополнительными диэлектрическими стержнями. образующими поворот в Н-плоскости на

180О. Дополнительные ферритовые тороиды и дополнительные диэлектрические стержни плотно примыкают к торцам верхних и нижних ферритовых тороидов и диэлектрических стержней. 8 местах соединения с верхними и нижними ферритовыми тороидами дополнительные ферритовые тороиды имеют скосы, на которые нанесена металлизация. Дополнительные ферритовые тороиды могут быть снабжены продольными сквозными прорезями, расположенными между диэлектрическими стержнями, Диэлектрические стержни могут быть выполнены составными, из трех частей, Крайние ферритовые тороиды, крайние диэлектрические стержни и элементы распределения мощности расположены перпендикулярно центральным ферритовым тороидам и центральным диэлектрическим стержням.

С целью расширения сектора сканирования в поперечной плоскости на центральные ферритовые тороиды между столбцами вибраторов по краям плоской решетки установлены продольные металлические стержни прямоугольного или П-образного сечения. С этой же целью металлическая арматура может быть снабжена продольными выступами прямоугольного сечения, расположенными между ферритовыми тороидами и по краям плоской решетки. Высота выступов превышает суммарную толщину ферритового тороида и диэлектрического стержня, С целью расширения сектора сканирования в продольной плоскости на верхнюю и нижнюю широкие стенки центральных ферритовых тороидов над внутренними управляющими проводниками установлены дополнительные внешние управляющие проводники. Внутренние и внешние управляющие проводники соединены последовательно, Металлическая арматура снабжена продольными канавками, в которые уложены нижние внешние управляющие проводники. Верхние внешние управляющие проводники могут иметь прямоугольное сечение и плотно примыкают друг к другу, образуя стержень прямоугольного сечения.

2000633

Верхние внешние управляющие проводники могут быть расположены внутри металлического стержня П-образного сечения, установленного между столбцами вибраторов плоской решетки.

С целью расширения сектора сканирования в продольной плоскости на внешнюю сторону нижней широкой стенки центральных ферритовых тороидов манесена металлиэация и установлено дополнительно M таких же тороидов. Верхние и нижние тороиды плотно примыкают друг к другу. Управляющие проводники намотаны одновременно на примыкающие одна к другой нижнюю широкую стенку верхнего ферритоааго тороида и верхнюю широкую стенку нижнего ферритового тороида.

С целью расширения сектора сканированию э продольной плоскости толщина широких стенок ферритовых тороидов неодинакова. нижняя широкая стенка ферритовых тороидов толще верхней, а управляющие проводники намотаны ма нижнюю широкую стенку ферритового тороида.

С целью обеспечения изменения формы диаграммы направленности антенны в трактовые волноводы установлены корректирующие металлические, диэлектрические или металлизированные диэлектрические вставки. С целью обеспечения контроля за положением луча и формой диаграммы направленности на ферритовые тороиды над крайними в поперечном направлении диэлектрическими стержнями установлено несколько коаксиальных вибраторов, а в одном из крайних трактовых волноводов или в конце магистрального волновода установлены коаксиальные адаптеры — возбудители пилот-сигнала.

Предложенное техническое решение обладает существенными отличиями от известных технических решений. В частности составная конструкция ферритового тороидального элемента представляет собой неизвестное ранее решение в виде нескольких продольных или поперечных секций. Эта конструкция позволяет, не нарушая модового режима многомодовой волноведущей структуры, избежать воздушных зазоров между диэлектрическими стержнями и внутренними стенками ферритовых пластин и обеспечить идентичность различных частей ммогомодовой структуры. В результате в предложенной конструкции имеет место совпадение лучей линейных антенн плоской решетки, их синхронное сканирование и увеличение КПД антенны. Элементы распределения мощности в виде поперечной и

N продольных прорезей определенного размера, образующих в Е-плоскости магист5

55 ральный и N трактовых волноводов, совместно с диэлектрическими трансформаторами образуют новое, ранее неизвестное устройство, позволяющее в зависимости от наличия, размеров трансформаторов или специфических вставок. установленных в трактовые волноводы, обеспечить практически любое амплитуд ное распределение поля в антенне в поперечном направлении, в том числе и спадающее к краям. Размеры магистрального и трактовых волноводов, диэлектрических трансформаторов и конфигурация вставок таковы, что распределительное устройство оказывается согласованным как со стандартным возбуждающим волноводом, так и с многомодовой волноведущей структурой. Последнее обстоятельство достигается новыми свойствами диэлектрических трансформаторов, заключающимися в том, что трансформаторы для одних трактов являются согласующими, а для других трактов рассогласующими, и являются неотьемлемой частью системы распределения мощности. Все трактовые волноводы и элементы многомодовой структуры взаимосвязаны (трактовые волноводы не развязаны) и взаимодействуют в системе распределения мощности. При использовании в качестве ферритовых фаэосдвигающих элементов N пар П-образных. деталей образуется ранее неизвестная периодическая многомодовая структура (см.фиг.1 и 4). Ранее неизвестными являются также и другие предложенные многомодовые структуры (см.фиг. 5 и 6). Все структуры функционально разбиваются на отдельные волноводы, между которыми имеется специфическое электродинамическое взаимодействие как по волноводу, так и по внешнему пространству. Металлическая арматура обладает существенными отличиями, заключающимися в том, что она совмещает в себе множество функций: распределителя мощности, экрана,металлической стенки, многомодовой волноведущей структуры, дифракционной решетки и, наконец, несущей конструкции антенны, Ранее неизвестными элементами являются различное количество управляющих проводников между диэлектрическими стержнями, взаимное расположение элементов распределения мощности и апертуры антенны, выполнение поворота вопноведущей структуры на 90 и 180 в Н-плоскости, выполнение магнитопровода, наличие дифракционной структуры и дополнительных коаксиальных вибраторов и др.

Таким образом, известные решения со сходными признаками отсутствуют, поэто2000633

10 му предложенное устройство удовлетворяет критерию "существенные отличия".

На фиг.1 показан общий вид предложенной антенны. Антенна содержит М ферритовых тороидальних секций 1, установленных в металлической арматуре 2, Внутри тороидальных секций размещены периодически расположенные диэлектрические стержни 3. На верхних широких стенках центральных секций 1 нанесены излучающие вибраторы 4. Между диэлектрическими стержнями 3 и узкими стенками секций 1 установлены управляющие проводники 5, которые выводятся наружу через прорези на стыках секций и через отверстия в арматуре.

Антенна содержит элементы распределения мощности в виде одной поперечной 6 и N продольных прорезей 7, образующих соответственно поперечный магистральный 6 и продольные трактовые прямоугольные 7 волноводы. В центре магистрального волновода прорезано дополнительное отверстие 8 прямоугольной формы. Концы магистрального волновода могут быть нагружены на согласующие нагрузки (не показаны) либо короткозамкнуты (см,фиг.8). Высота трактовых волноводов 7 равна ширине диэлектрических стержней 3. а центры их совмещены. На торце диэлектрических стержней 3 могут быть установлены диэлектрические трансформаторы 9 прямоугольного сечения. Трансформаторы могут быть выполнены в двуступенчатом виде (см.фиг.1, 2а и ба), в одноступенчатом (не показаны. трансформаторы устанавливаются также, как в предыдущем случае), в виде выступов диэлектрических стержней (см.фиг .26 и бб), в виде одноступенчатого трансформатора 6, установленного на выступающую часть диэлектрических стержней 3 (см.фиг.2в и бв), либо вообще отсутствовать (фиг.3).

Каждая ферритовая тороидальная секция 1 может быть выполнена из одного тороида либо из N отдельных тороидов. B первом случае (см.фиг.1 и 4) широкие стенки тороидов выполнены из отдельных ферритовых пластин, плотно прилегающих одна к другой торцами и образующих между диэлектрическими стержнями продольные стыки. Трактовые ферритовые фазосдвигающие элементы 10 выполнены в виде П-образных деталей, установленных на крайних тороидах без вибраторов. На

П-образные детали намотаны управляющие проводники 11. Вблизи узких стенок тороидов 1 введены дополнительные управляющие проводники 12 (см.фиг.1). Количество управляющих проводников между диэлект5

55 рическими стержнями 3 неодинаково и yseличивается вблизи продольных стыков и узких стенок ферритовых тороидов 1.

Во втором случае (см.фиг.3,5 и 6) в каждом из N тороидов 1 каждой из M секций уложено по два управляющих провода 5, которые находятся в промежутках между узкой стенкой тороида 1 и диэлектрическим стержнем 3. Управляющие проводники разбиты на M секций (каждая секция имеет два управляющих проводника 5) и выводятся наружу через отверстия в металлической арматуре 2 (не показаны) на стыках секций 1 ферритовых тороидов (см.фиг.3). В обоих случаях в области центральных ферритовых тороидов 1 между рядами излучателей 4 расположены продольные металлические элементы прямоугольного сечения, в первом случае — это металлические стержни 13 (см.фиг.4), установленные на верхних широких стенках ферритовых секций 1, во втором (см.фиг.6) — выступы 14 металлической арматуры 2. Возможны различные варианты взаимного расположения секций ферритового тороида и элементов распределения мощности: на фиг.1 и 2а секции ферритового тороида 1 и элементы распределения мощности расположены в одной плоскости на одной стороне металлической арматуры; на фиг,2в — e перпендикулярных плоскостях, а на фиг.26 и фиг.З-в в параллельных плоскостях, но на противоположных сторонах металлической арматуры 2. В последних двух случаях диэлектрические стержни 3 выполняются иэ трех частей. Крайние секции диэлектрических стержней 3 расположены внутри крайних секций ферритовых тороидов 1, а центральные секции — внутри центральных секций ферритовых тороидов 1.

Если распределительное устройство расположено снизу (см.фиг.26 и 3), то крайние диэлектрические стержни 3 и крайние ферритовые тороиды 1 расположены также снизу и соединены с верхними стержнями и центральными секциями 2N дополнигельными диэлектрическими стержнями 14 и секциями 15, образующими поворот на 180 в плоскости К. Дополнительные стержни 14 и секции 15 плотно примыкают к верхним и нижним диэлектрическим стержням 3, 3 и секциям 1, 1. В местах соединения нижних и верхних секций 1 и 1 ферритовых тороидов дополнительные секции 15 имеют скосы, на которые нанесена метэллизация 16.

Дополнительные секции 15 ферритового тороида могут иметь продольные сквозные прорези, расположенные между диэлектрическими стержнями 3 (см,фиг.2б).

2000633

В варианте на фиг.3 дополнительными секциями являются N таких же тороидов 15, что и основные тороиды 1.

С целью расширения сектора сканирования в поперечной плоскости в трактовые волноводы 7 могут быть установлены корректирующие металлические (см.фиг,10а), диэлектрические (аналогичные по виду фиг.10а), металлизированные (см.фиг.10б,в) диафрагмы со щелями (см.фиг.10r). С целью расширения сектора сканирования в поперечной плоскости на центральные ферритовые тороиды 1 между столбцами вибраторов

4 и по краям плоской решетки установлены продольные металлические стержни 13 прямоугольного (см.фиг.4) или П-образного сечения (см.фиг.96). В варианте на фиг.б с этой целью металлическая арматура 2 снабжена продольными выступами 13 прямоугольного сечения, расположенными между ферритовыми тороидами 1 и по краям плоской решетки. Высота выступов 13 превышает суммарную толщину ферритоеого тороида 1 и диэлектрического стержня 3.

С целью расширения сектора сканирования в продольной плоскости на верхнюю и нижнюю широкие стенки центральных ферритовых тороидов 1 над и под внутренними управляющими проводниками 5 устаФ новлены дополнительные внешние управляющие проводники 20 и 21 (см.фиг.9), Внутренние 5 и внешние 20 и 21 управляющие проводники соединены последовательно. Металлическая арматура 2 снабжена продольными канавками, в которые уложены нижние внешние управляющие проводники 21. Верхние внешние управляющие проводники могут иметь прямоугольное сечение и плотно примыкают друг к другу, образуя стержень 22 прямоугольного сечения, либо расположены внутри металлического стержня 13 П-образного сечения, установленного между столбцами вибраторов плоской решетки (см.фиг.96). Также с целью расширения сектора сканирования в продольной плоскости на внешнюю сторону нижней широкой стенки центральных ферритовых тороидов 1 наносится металлиэация 23 (см.фиг.9в) и устанавливается дополнительно М таких же тороидов 24.

Верхние 1 и нижние 24 тороиды плотно примыкают друг к другу. Управляющие проводники 5 и 21 намотаны одновременно на примыкающие одна к другой нижнюю широкую стенку верхнего ферритового тороида 1 и верхнюю широкую стенку нижнего ферритового тороида 24 и представляют собой единую обмотку.

В другом варианте антенны толщина стенок ферритовых тороидов 1 неодинэкова: нижняя широкая стенка ферритовых тороидов толще верхней (см.фиг.9г).

Для обеспечения контроля за положением луча и формой диаграммы направленности на ферритовые тороиды 1 над диэлектрическими стержнями 3 установлены дополнительные коаксиальные вибраторы 17. На фиг.1 показаны коаксиальные вибрэторы 17, установленные на крайнюю линейку вибраторов 4 для контроля за положением луча в продольной плоскости. В крайнем трактовом волноводе, возбуждающем эту линейку (см.фиг.8), установлены коаксиальные адаптеры 18. Для контроля эа диаграммой направленности в поперечной

15 плоскости вибраторы 17 устанавливаются между фаэирующими элементами 10 и решеткой вибраторов 4, Вибраторы 17 соединемы коаксиэльными кабелями с амплифазометрическим устройством обычного типа (не показано), которое позволяет получать информацию об амплитудном и

20 (за исключением варианта на фиг.26) на противоположном от элементов распределения мощности конце установлена согласованная нагрузка 19.

Выполнение ферритового тороидального элемента составным неизбежно, так кэк

30 формирование больших антенных апертур с помощью сплошных ферритовых пластин большой площади с жесткими допусками на размеры и плоскостность не подкреплено технологическими возможностями. Размер и количество секций ферритовых пластин может быть различным в зависимости от технологических воэможностей (наиболее практически целесообразным является следующее: 1 секция включает в себя 10 — 20 строк и 5-10 столбцов вибраторов). Секционирование ферритового элемента позволяет избежать технологических трудностей и улучшить электрические характеристики антенны. Последнее имеет место благодаря тому, что при секционировании исключаются воздушные зазоры между диэлектрическими стержнями 3 и широкими стенками ферритовых тороидов 1. Воздушные зазоры приводят к возбуждению парэзитных типов колебаний, неидентичности линейных антенн, потерям, уменьшению коэффициента усиления и изрезанности парциальной диаграммы направленности в поперечной плоскости. Кроме того, улучшается однородность намагничивания ферритового элемента 1, так как одна секция представляет собой сильно вытянутый в поперечном направлении тороид. Секционирование

55 фазовом распределении в антенне в про.дольной и поперечной плоскостях. Во всех

25 вариантах с односторонним возбуждением

2000633

35

55 ферритового элемента в продольном направлении позволяет намагничивать секции индивидуально и компенсировать температурные и технологические уходы луча в продольной плоскости, Особенно это актуально при работе на высоком уровне мощности, начальная часть антенны иэ-эа экспоненциального амплитудного распределения в продольной плоскости нагревается СВЧ-сигналом сильнее, чем последующие. Как результат, диаграммы направленности отдельных секций рассогласуются и сканируют несинхронно.

Секционирование позволяет скомпенсировать температурные уходы для антенны на фиг.1 — 4 в продольной плоскости (при равномерном ампльтгудном распределении в поперечной плоскости), а для антенны на фиг.5 и 6 и в поперечной плоскости для любого амплитудного распределения, в том числе и спадающего к краям. Каждая секция антенн на фиг.5 и 6 состоит иэ отдельных тороидов и управляется автономно. Этот вариант антенны позволяет компенсировать и любые другие уходы, в том числе и технологические. Продольные стыки на широких стенках ферритовых тороидов несколько уменьшают намагниченность феррита в месте стыка. По этой причине количество управляющих проводов в местах стыков увеличивается и может привести к увеличению расстояния между строками вибраторов 4. Если продольный стык расположен в центре антенны и расстояние между строками вибраторов 4 в центре увеличено (например до длины волны). то это не приводит к существенному ухудшению диаграммы направленности. Дополнительные металлические выступы 13 между рядами вибраторов

4 образуют дифракционную решетку, возбуждаемую вибраторами. Ребра решетки переизлучают электромагнитную энергию и приводят к расширению сектора сканирования в поперечной плоскости. К одному из входов 1 — 3 подключается питающий волновод (не показан) стандартного поперечного сечения. При возбуждении входа 1 к входам

2 и 3 подключается согласованная нагрузка (не показана) либо они закорачиваются, как показано на фиг.7а и 7б. При возбуждении входа 2 или 3 закорачивается вход 1. Благодаря соответствующему выбору размеров элементов распределения мощности (магистрального и трактовых волноводов) вход 1 оказывается практически согласованным (KCBH < 2).

Действие антенны рассмотрим на примере устройства, изображенного на фиг,1.

При подключении питающего волновода к

30 одному из входов 1-3 в элементах распределения мощности возбуждается электромагнитная волна, распространяющаяся в магистральном прямоугольном волноводе 6 в поперечном направлении и частично ответвляясь в продольные трактовые прямоугольные волноводы 7. Величина ответвления зависит от наличия или отсутствия диэлектрического трансформатора 9, от его размеров и вида (одноступенчатый или двуступенчатый), от размеров и вида вставок (см.фиг.10). С помощью этих средств можно реализовать любое амплитудное распределение (равномерное, экспоненциальное, спадающее к краям), Трактовые волноводы 7, в свою очередь, возбуждают феррит-диэлектрические волноводы, образованные диэлектрическими стержнями 3 и ферритовым тороидом 1. Далее происходит так, как в обычных антеннах бегущей волны; волна, распространяясь по волноводам, последовательно возбуждает излучающие вибраторы 4, которые излучают электромагнитную энергию в пространство, формируя диаграмму направленности антенны. Формирование диаграммы направленности в пространстве осуществляется в соответствии с амплитудным и фазовым распределением поля в раскрыве антенны.

Фазовое распределение и положение главного луча диаграммы направленности в продальной плоскости устанавливаются изменением тока в управляющих проводниках 5 внутри ферритового тороида 1. Фазовое распределение и положение главного луча диаграммы направленности в поперечной плоскости устанавливаются изменением тока в управляющих проводниках 11 (см.фиг.1) или управляющих проводниках 5 в крайних секциях ферритовых тороидов (см.фиг.3,5 и 6). Ферритовые элементы 1 и

10 совместно с диэлектрическим стержнем

3 (см.фиг.1) и крайние тороиды на фиг.3, 5 и

6 выполняют роль трактовых фазовращателей, Амплитудное распределение в поперечной плоскости при возбуждении одного из входов 2.3 и одинаковых излучателях является экспоненциальным, а при возбуждении входа 1 — спадающим к краям. Для реализации спадающего к краям амплитудного распределения в продольной плоскости необходимо использовать излучатели различной длины, Таким образом, изменением токов в обмотках 5 (один ток) и 11 (N токов) можно сканировать диаграммой направленности антенны. Наличие двух равноправных входов (1 и 2 на фиг.2б) позволяет увеличить сектор сканирования вдвое путем переключения входа на противоположный при переходе луча через нор15

2000633

5

35

50

55 маль и использования несимметричного сектора сканирования.

Описанное устройство было реализовано в опытном образце, который продемонстрировал работоспособность и приемлемые технические характеристики.

В 8-мм диапазоне волн может быть реализован сектор сканирования, равный 40, в обеих плоскостях, уровень боковых лепестков — 20 дБ, ширина луча 1-2 . Антенна имеет малую толщину и является маловыступающей. Антенна может работать с памятью и высоким быстродействием, так «ак выполнена нэ основе тороидальных фВрритовых структур. Антенна технологична. плоские прямоугольные формы составляющих ее элементов позволяют реализовать устройство в коротковолновой части миллиметрового диапазона.

Формула изобретения

1. Антенна с электрическим сканированием, содержащая апертурный ферритовый тороидальмый элемент прямоугольного сечения, полосковые вибрэторы в центральной части верхней широкой стенки ферритового тороидэльного элемента, образующие двумерную решетку, N диэлектрических стержней составной конструкции, где и -число столбцов вибратора в двухмерной решетке, и управляющие проводники внутри ферритового тороидального элемента, металлический экран нэ нижней широкой стенке ферритового тороидвльного эяеееента. Ферритовые трактовые фэзосдвигающие элементы по <раям ферритового торовщэльмого элемента, вторые управляющие проводники в ферритовых трактовых фазосдвигающих элементах и элементы распределения мощности. о т л и ч в ю щ а я с я тем, что. с целью увеличения уровня рабочей мощности, увеличения коэффициента направленного действия и коэффициента использования поверхности антенны, уменьшения потерь и уровня паразитного бокового излучения, ферритовый тороидэльный элемент имеет составную конструкцию и выполнен из мезввисимо управляемых секций, установленных в продольном направлении в металлической арматуре, ферритовые секции плотмо прилегают друг к другу и образуют между строками вибраторов поперечные стыки, вибраторы размещены на секциях, кроме первой и последней, управляющие проводники разбиты нв секции и выведены наружу через прорези нв стыках ферритовых секций и через отверстия в металлической арматуре. элементы распределения мощности выполнены непосредственно в металлической арматуре в виде одной поперечной и N продольных прорезей прямоугольного сечения, образующие в Е-плоскости соответственно магистральный и N трактовых прямоугольных волноводов, в центре магистрального волноводэ прорезано дополнительное отверстие прямоугольной формы, образующее возбуждающий прямоугольный волновод, центры трактовых волноводов и торцы диэлектрических стержней совмещены.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что каждая секция ферритового тороидэльного элемента выполнена в виде одного тороида, широкие стенки каждого ферритового тороидэ представляют собой несколько отдельных пластин, которые плотно прилегают друг к другу узкими стенками, причем продольные стыки расположены в промежутках диэлектрических стержней, торцы некоторых диэлектрических стержней снабжены диэлектрическими трансформаторами, ферритовые трактовые фвзосдвигвющие элементы содержат П-образные ферритоаые детали, которые установлены на блюкайших к трактовым волноводвм ферритовых тороидвх, магистральный и трактовый волноводы имеют поперечные размеры в длинах волн около (0,7-0,8) х 0,4, расстояние между трактовыми волноводами составляет около (0,5-0,6), длина трактовых волноводов равна рэсстоянию между магистральным волноводом и торцами первых ферритовых тороидов, между крайними диэлектрическими стержнями и узкими стенками ферритовых тороидов, в также в местах продольных стыков ферритовых пластин введены дополнительные управляющие проводники, в центре плоской решетки один столбец вибраторов отсутствует.

3. Антенна поп.1. отл и чаю щвя с я тем, что, с целью расширения рабочего диапазона температур и сектора сканирования в поперечной плоскости, каждая секция ферритового тороидвльного элемента выполненв в виде Й тороидов, ферритовые тороиды, образующие трактовые фазосдвигающие элементы, уложены в плоскости трактовых волноводов, поперечные размеры и длина трактовых волмоводов равны поперечным размерам и длине ферритовых тороидов, между диэлектрическими стержнями и узкими стенками ферритовых тороидов уложено 2N управляющих проводников, которые разбиты нв секции и выведены наружу через прорези на стыках соответствующих секций ферритовых тороидов, 4. Антенна по пп.1, и 2, о т л и ч в ющ а я с я тем, что диэлектрические транс17

2000633

18 форматоры выполнены двухступенчатыми с размерами первой ступени в длинах волн около 0,4 х 0,3 х 0.13, вторые ступени 0,2 х

0,2 х 0,6, либо одноступенчатыми одинаковыми для всех трактов.

5, Антенна по пп.1 и 2. о т л и ч а ющ а я с я тем, что диэлектрические трансформаторы выполнены в виде частей диэлектрических стержней, выступающих за пределы ближайших к трактовым волноводам ферритовых тороидов и проникающих в полость трактовых волноводов распределительного устройства.

6, Антенна по пп.1,2 и5, отл ича ющ а я с я тем, что на выступающие части диэлектрических стержней установлены дополнительные диэлектрические трансформаторы с прорезью таких же размеров, что и размеры выступающих частей, дополнительные диэлектрические трансформаторы плотно примыкают к торцам ближайших к трактовым волноводам ферритовых тороидов, 7. Антенна по пп.1-3, о т л и ч а ющ а я с я тем, что диэлектрические стержни состоят иэ трех частей. крайние диэлектрические стержни расположены внутри крайних ферритовых тороидов, центральные диэлектрические стержни расположены внутри центральных ферритовых тороидов, центральные ферритовые тороиды и центральные диэлектрические стержни установлены на верхней стороне металлической арматуры, а крайние ферритовые тороиды, крайние диэлектрические стержни и элементы распределения мощности установлены на нижней стороне металлической арматуры, верхние и нижние ферритовые тороиды и диэлектрические стержни соединены дополнительными ферритовыми тороидами и 2N дополнительными диэлектрическими стержнями, образующими поворот в Н-плоскости на 180, дополнительные ферритовые тороиды и дополнительные диэлектрические стержни плотно примыкают к торцам верхних и нижних ферритовых тороидов и диэлектрических стержней, в местах соединения с верхними и нижними ферритовыми тороидами дополнительные ферритовые тороиды имеют скосы, на скосы нанесена металлизация.

8. Антенна по пп.1 — 3 и 7, от л и ч а ющ а я с я тем, что дополнительные ферритовые тороиды снабжены продольными сквозными прорезями, расположенными мзжду диэлектрическими стержнями, 9. Антенна попп.1 и2,отл ичающ а я с я тем, что, с целью расширения сектора сканирования в поперечной пло5

55 скости, на центральные ферритовь е тороиды между столбцами вибраторов и по краям плоской решетки установлены продольные металлические стержни прямоугольного или П-образного сечения.

10. Антенна по пп.1 — 3. о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью расширения сектора сканирования в поперечной плоскости, металлическая арматура снабжена продольными выступами прямоугольного сечения, расположенными между ферритовыми тороидами и по краям плоской решетки, высота выступов превышает суммарную толщину ферритового тороида и диэлектрического стержня, 11. Антенна по пп.1 и 2, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью расширения сектора сканирования в продольной плоскости, на верхнюю и нижнюю широкие стенки центральных ферритовых тороидов над внутренними управляющими проводниками установлены дополнительные внешние управляющие проводники, внутренние и внешние управляющие проводники соединены последовательно, в металлической арматуре выполнены продольные канавки, в которых уложены нижние внешние управляющие проводники.

12, Антенна по пп.1, 2 и 11, о т л и ч а ющ а я с я тем, что верхние внешние управляющие проводники имеют прямоугольное сечение и плотно примыкают друг к другу. образуя стержень прямоугольного сечения.

13. Антенна по пп.1,2 9 и 11, о т л и ч аю щ а я с я тем, что верхние внешние управляющие проводники расположены внутри металлического стержня П-образного сечения, установленного между столбцами вибраторов плоской решетки.

14. Антенна по пп.1 и 2, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью расширения сектора сканирования в продольной плоскости, на внешнюю сторону нижней широкой стенки центральных ферритовых тороидов нанесена металлизация и установлено дополнительно М таких же тороидов, верхние и нижние тороиды плотно примыкают друг к другу, управляющие проводники намотаны одновременно на примыкающие друг к другу нижнюю широкую стенку верхнего ферритового тороида и верхнюю широкую стенку нижнего ферритового тороида.

15. Антенна по пп,1 и 2, о т л и ч а ющ а я с я тем. что, с целью расширения сектора сканирования в продольной плоскости, толщина широких стенок ферритовых тороидов неодинакова, нижняя широкая стенка ферритовых тороидов толще верхней, управляющие проводники на2000633

19

Нх0 2 мотаны на нижнюю широкую стенку ферритового тороидэ.

16. Антенна по пп.1, 2, 4 — 15, о т л и ч ею щ а я с я тем, что. с целью реализации возможности изменения формы диаграммы направленности антенны, в трактовые волноводы распределительного устройства установлены корректирующие металлические или диэлектрические вставки.

17. Антенна по пп.1-16, о т л и ч э ющ а я с я тем, что, с целью реализации контроля за положением луча формой диаграммы направленности антенны, на ферритовые тороиды над крайними в поперечном направлении диэлектрическими стержнями, ближайшими к узкой стенке ферритовых тороидов, установлены коаксивльные вибраторы, а в одном из крайних трактовых волноводов или в конце магистрального волновода распределительного устройства установлены коаксиальные адаптеры, 2000633

SxoB б д

gy /Ю i 7

2000633

rr 5

1 й75

5 .У рие

200063:3

ГЪЮ - с"," иî

2 И

0 р, If лр

zz Я 1У

1 О 4,У

2000633 ф Р 80

Составитель Э. Зайцев

Редактор А. Купрякова Техред М. Моргентал Корректор О. Кравцова

Заказ 3080

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская нао., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101