Способ возбуждения широкополосной антенной решетки и широкополосная антенная решетка

 

Изобретение относятся к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может использоваться при проектировании антенных решеток для систем связи, локации и радиоэлектронной борьбы. Техническим результатом является обеспечение улучшения согласования (снижение КСВН - коэффициента стоячей волны по напряжению) и повышение коэффициента полезного действия (КПД) широкополосной антенной решетки (АР) в заданном рабочем диапазоне частот. Для этого в способе возбуждения широкополосной АР преобразуют информативный сигнал в электромагнитное поле с линейной поляризацией, разделяют электромагнитное поле по амплитуде на n частей по числу рупорных излучателей (РИ) АР, модулируют поле по пространственной амплитуде и фазе с учетом номера каждого элемента АР и его пространственного положения так, чтобы обеспечить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение. При этом после разделения поля по амплитуде на n частей дополнительно модулируют его по пространственной амплитуде и фазе в каждом РИ так, чтобы обеспечить постоянство входного сопротивления во всем рабочем диапазоне частот. Широкополосная АР содержит полосковую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены система возбуждения на n выходов и связанный с ней излучающий раскрыв, выполненный из n РИ, размещенных в нескольких уровнях. Каждый выход системы возбуждения плавно переходит в РИ решетки в Е и Н плоскости, причем каждый РИ образуется так, что волновое сопротивление в любом его сечении вдоль оптической оси АР остается постоянным, все РИ электрически замкнуты между собой, образуя единую пространственную апертуру АР. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретения относятся к области радиотехники, в частности к антенной технике и могут использоваться при проектировании антенных решеток для систем связи, локации и радиоэлектронной борьбы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу возбуждения широкополосной антенной решетки (прототипом) является способ возбуждения широкополосной антенной решетки (АР), описанный в патенте США N 4843403, МПК H 10 Q 13/00, 1989. В известном техническом решении: преобразуют информативный сигнал в электромагнитное поле с линейной поляризацией, например, на полосковой линии; разделяют полученное поле по амплитуде на n частей по числу рупорных излучателей в решетке; трансформируют скачком каждую составляющую электромагнитного поля так, что плоскость его поляризации поворачивается на девяносто градусов; модулируют каждую составляющую электромагнитного поля, полученную в результате трансформации по пространственной фазе так, чтобы получить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение.

Известный способ имеет большие потери электромагнитного поля из-за необходимости его трансформации (скачком), а также не позволяет получить низкий уровень внутренних отражений электромагнитного поля во всем рабочем диапазоне частот в широкополосной АР.

В качестве прототипа для заявляемой широкополосной антенной решетки выбрана широкополосная антенная решетка (см. патент РФ N 2052878, МПК H 01 Q 21/00 от 01.04.93), содержащая плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которой выполнены система возбуждения и связанный с ней излучающий раскрыв. Излучающий раскрыв образован из рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях. При этом каждый рупорный излучатель следующего уровня образован парой рупорных излучателей предыдущего уровня, смежные стенки которых пересекаются в точке, лежащей на оси симметрии рупорного излучателя следующего уровня на расстоянии больше половины длины волны до их наружных стенок, и имеет апертуру в два раза больше апертуры рупорного излучателя предыдущего уровня, причем рупорные излучатели нулевого уровня связаны с системой возбуждения и их количество четное, а количество рупорных излучателей в каждом из остальных уровней определено соотношением n = 2^p-m, где n - число рупорных излучателей, p - число уровневых переходов, m - номер уровня.

Известная широкополосная АР возбуждается в широкой полосе частот, однако она не позволяет получить низкий уровень внутреннего отражения электромагнитного поля во всем рабочем диапазоне частот и устранить потери электромагнитного поля, возникающие из-за необходимости дополнительной его трансформации в полосково-щелевых преобразователях.

Сущность изобретений заключается в следующем.

В предлагаемом способе, так же, как и в прототипе: преобразуют информативный сигнал в электромагнитное поле с линейной поляризацией; разделяют полученное поле по амплитуде на n частей, по числу рупорных излучателей в АР; модулируют электромагнитное поле по пространственной амплитуде и фазе с учетом номера каждого рупорного излучателя и его пространственного положения так, чтобы обеспечить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе дополнительно модулируют электромагнитное поле в каждом рупорном излучателе по пространственной амплитуде и фазе так, чтобы обеспечить постоянство входного сопротивления во всем рабочем диапазоне частот, причем указанную операцию выполняют после разделения поля по амплитуде на n частей, а рабочий диапазон частот и геометрические параметры широкополосной АР определяют по формулам λ²_min/16≤b²_E1+b²_H1; (1) b_E1 ≤ D_E1/2; (2)
b_H1 ≤ D_H1/2; (3)
N²×D²_H1+M²×D²_E1≥λ²_max /4; (4)
где λ_min- минимальная длина волны требуемого рабочего диапазона частот АР;
b_E1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля E (E-плоскостью);
b_H1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля H (H-плоскостью);
D_E1 - линейные размеры апертуры первого рупорного излучателя АР в E-плоскости;
D_H1 - линейные размеры апертуры первого рупорного излучателя АР в H-плоскости;
N - число рупорных излучателей антенной решетки в H-плоскости;
М - число рупорных излучателей антенной решетки в E-плоскости;
λ_max- максимальная длина волны требуемого рабочего диапазона частот АР.

Предлагаемая широкополосная АР так же, как и прототип содержит полосковую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены система возбуждения на n выходов и увязанный с ней излучающий раскрыв, выполненный из n рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях.

В отличие от прототипа, в предлагаемой широкополосной АР каждый выход системы возбуждения плавно переходит в рупорный излучатель решетки в E и H плоскости, причем каждый рупорный излучатель образуется так, что волновое сопротивление в любом его сечении вдоль оптической оси решетки остается постоянным, все рупорные излучатели электрически замкнуты между собой, образуя единую пространственную апертуру антенной решетки, а ее геометрические параметры определяются из соотношений
(1)
b_E1 ± D_E1/2, (2)
b_H1 ± D_H1/2, (3)
N²×D²_H1+M²×D²_E1≥λ²_max /4; (4)
где λ_min- минимальная длина волны требуемого рабочего диапазона частот АР;
b_E1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля E (E-плоскостью);
b_H1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля H (H-плоскостью);
D_E1 - линейные размеры апертуры первого рупорного излучателя АР в E-плоскости;
D_H1 - линейные размеры апертуры первого рупорного излучателя АР в H-плоскости;
N - число рупорных излучателей антенной решетки в H-плоскости;
М - число рупорных излучателей антенной решетки в E-плоскости;
λ_max- максимальная длина волны требуемого рабочего диапазона частот АР.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые способ и устройство, является снижение внутренних отражений электромагнитного поля и потерь в широкополосной антенной решетке во всем рабочем диапазоне частот.

Совокупность общих и частных существенных признаков изобретений обеспечивает возможность решения задачи и достижения требуемого технического результата, а именно: улучшение согласования (снижения КСВН - коэффициента стоячей волны по напряжению) и повышение коэффициента полезного действия (КПД) широкополосной антенной решетки в заданном рабочем диапазоне частот.

Действительно, согласование АР оценивается КСВН, который для качественных антенн не должен превышать заданного уровня во всем рабочем диапазоне частот. В свою очередь КСВН полностью определяется внутренними отражениями, возникающими на всех неоднородностях в АР. По этой причине снижение внутреннего отражения АР, достигающееся за счет постоянства входного сопротивления, обеспечивает снижение КСВН и, следовательно, улучшение согласования. Аналогично, снижение потерь в системе возбуждения АР за счет исключения частотно-зависимого преобразования поля на полосково-щелевом преобразователе, а также снижение внутреннего отражения в излучающем раскрыве за счет постоянства волнового сопротивления естественным образом приводит к снижению потерь и, следовательно, повышению КПД антенной решетки.

Отметим, что в заявляемой АР используется частный случай обеспечения постоянства входного сопротивления (использованный в более общей формулировке в предлагаемом способе) за счет постоянства волнового сопротивления в любом произвольном сечении рупорного излучателя вдоль оптической оси АР.

В результате поиска не обнаружено информации, позволяющей сделать вывод об известности отличительных признаков заявляемых технических решений, следовательно, заявляемые технические решения соответствуют условию новизны.

Из предшествующего уровня техники не известно влияние отличительных признаков заявляемых технических решений на достигаемый технический результат, следовательно, заявляемые технические решения соответствуют условию изобретательского уровня.

Сущность изобретений раскрывается чертежами, где на фиг. 1 и фиг. 2 поясняются основные принципы, заложенные в предлагаемый способ, а на фиг. 3 и фиг. 4 приведены варианты широкополосной антенной решетки.

На фиг. 1 изображен один рупорный излучатель АР, включающий излучающую поверхность 1, в которую переходит полосок 2 полосковой линии, и излучающую поверхность 3, в которую переходит экран 4 полосковой линии.

На фиг. 2 приведена АР, состоящая из N · М рупорных излучателей 5, каждый из которых образован излучающей поверхностью 1, в которую переходит полосок 2 несимметричной полосковой линии, и излучающей поверхностью 3, в которую переходит экран 4 полосковой линии.

Поясним основные принципы, положенные в основу предлагаемого способа.

Практическое конструирование широкополосных антенных решеток на базе рупорных излучателей, возбуждаемых симметричными или несимметричными полосковыми линиями, показало, что при диапазоне рабочих частот декада и более проблема согласования антенной решетки с КСВН ниже двух оказывается невыполнимой. Более того, антенна имеет неравномерные потери на различных частотах, которые возрастают с увеличением полосы рабочих частот. Основными причинами указанных эффектов являются, во-первых, неоптимальность пространственной модуляции поля в рупорном излучателе с точки зрения минимизации отражений поля. Это связано с тем, что входное сопротивление рупорного излучателя зависит от частоты возбуждаемого в нем поля и, следовательно, порождает отражения, которые и определяют неудовлетворительное согласование и рост потерь на различных частотах.

Во-вторых, все известные способы возбуждения широкополосных антенных решеток при возбуждении рупорных излучателей используют переход "полосок - щель", поскольку только такой переход позволяет обеспечить требуемую широкополосносность до декады и более. Однако, несмотря на все достоинства, этот переход имеет частотно зависимое реактивное входное сопротивление и вносит дополнительные потери, вызванные скачкообразным преобразованием плоскости поляризации.

В-третьих, пространственные параметры антенной решетки обычно выбираются из соображений обеспечения заданной диаграммы направленности. При этом не учитываются требования к этим параметрам, обеспечивающие согласование АР во всем рабочем диапазоне частот.

Для устранения первого из перечисленных недостатков в предлагаемом способе в отличие от прототипа введена операция дополнительной пространственной модуляции поля, которая реализуется (фиг. 1) таким подбором углов (изгиба излучающих поверхностей 1 и 3) α(z) и β(z) вдоль координаты z (оси рупорного излучателя), для которых входное сопротивление рупорного излучателя в заданном диапазоне рабочих частот остается постоянным.

Помимо этого, для согласования АР во всем рабочем диапазоне частот и устранения дополнительных потерь на переходе полосок - щель (устранение второго недостатка) в предлагаемом способе в отличие от прототипа не производится операция: трансформации скачком каждой составляющей электромагнитного поля, при котором плоскость поляризации поворачивается на девяносто градусов. Это достигается тем, что из системы возбуждения каждого рупорного излучателя исключают переход "полосок - щель" (фиг. 1). При этом каждый рупорный излучатель АР получают путем плавной трансформации полосковой линии в рупорный элемент АР.

Кроме того, для обеспечения согласования АР во всем рабочем диапазоне частот необходимо правильно задать геометрические (пространственные) параметры АР. Для согласования АР на верхних частотах необходимо выполнить условие, при котором максимальный линейный размер элемента АР, имеющего минимальную апертуру, был больше половины минимальной длины волны рабочего диапазона частот. Для эквидистантной АР апертуры всех элементов решетки равны. Для неэквидистантной АР с "разбегающимися" элементами минимальную апертуру имеет первый элемент АР. Поэтому для этих случаев описанное выше условие может быть записано в виде соотношений (1)-(3) (см. фиг. 2):
λ²_min/16≤b²_E1+b²_H1; (1)
b_E1 ≤ D_E1/2; (2)
b_H1 ≤ D_H1/2; (3)
Условие (1) показывает, что максимальный линейный размер первого элемента решетки должен быть больше половины минимальной длины волны, но в соответствии с (2) и (3) начальная база b_E1 и b_H1 не может превышать половины заданных линейных размеров апертуры элемента, поскольку в этом случае соседние элементы решетки должны отстоять друг от друга на некотором расстоянии, что не позволит обеспечить электрический контакт соседних элементов. Условие равенства в (2), (3) соответствует эквидистантной антенной решетке.

Согласование АР на нижней рабочей частоте требует выполнения условия, при котором максимальный линейный размер АР больше половины максимальной длины волны рабочего диапазона частот. Математически настоящее условие может быть записано в виде (4) (см. фиг. 2). Отметим, что выполнение требований (1)-(4) никак не ограничивает его возможностей с точки зрения получения требуемой диаграммы направленности при заданном рабочем диапазоне частот.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет устранить основные недостатки прототипа и обеспечить высокоэффективное согласование АР во всем рабочем диапазоне частот.

Для реализации предлагаемого способа необходимо выполнить следующие операции:
- преобразовать информативный сигнал в электромагнитное поле с линейной (вертикальной) поляризацией. В дальнейшем это поле преобразуют в поле излучения;
- разделить электромагнитное поле по амплитуде на n частей по числу рупорных излучателей в антенной решетке. Эта операция необходима для последующего синфазного возбуждения всех элементов решетки;
- промодулировать электромагнитное поле по пространственной фазе в каждом рупорном элементе так, чтобы обеспечить постоянство входного сопротивления во всем рабочем диапазоне частот. При этом параметры пространственной модуляции определяют из соотношений (1)-(4). Эта операция позволяет обеспечить согласование АР во всем рабочем диапазоне частот;
промодулировать полученное поле по пространственной амплитуде и фазе с учетом номера рупорного излучателя АР и его пространственного положения так, чтобы обеспечить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение. Данная операция реализуется во всех способах для получения необходимой диаграммы направленности АР. Например, в эквидистантной АР, использующей идентичные рупорные излучатели, модулирующая функция равна единице. В неэквидистантной АР - модулирующая функция более сложная.

В отличие от прототипа, в заявляемом способе дополнительная модуляция по пространственной амплитуде и фазе направлена на обеспечение согласования АР во всем рабочем диапазоне частот, а модуляция так же, как в прототипе - на получение заданной диаграммы направленности.

Широкополосные антенные решетки приведены на фиг. 3 и фиг. 4.

На фиг. 3а показана четырехэлементная широкополосная антенная решетка, которая состоит из металлической пластины 6, диэлектрической пластины 7, на которую нанесена металлизация 8, диэлектрической вставки 9, на которую нанесена металлизация 10, и разъема 15.

На фиг. 3б, показана форма металлизации 8 на диэлектрической пластине 7.

Антенная решетка представляет собой четырехэлементную решетку и имеет N = 4 и M = 1. Она возбуждается через разъем 11 симметричной полосковой линией, образованной металлизацией 10, диэлектрической пластиной 7, металлизацией 8, диэлектрической вставкой 9 и металлической пластиной 6 на длине l₁. При равных диэлектрических проницаемостях толщины диэлектрической пластины 6 и диэлектрической вставки 9 - равны. Геометрия металлической пластины 6 точно совпадает с геометрией диэлектрической пластины 7 (фиг. 3б) и образует с ней на длине l₂ рупор в E-плоскости. Угол α(z) и β(z) (фиг. 3а) изменяются так, что входное сопротивление в каждом излучающем рупоре 12, 13, 14 или 15 (фиг. 3б) остается постоянным во всем рабочем диапазоне частот. Разделение электромагнитного поля на четыре части по амплитуде осуществляется в полосковой линии на длине l₁.

Для рассматриваемой АР определение параметров 4 · D_H1, D_E1 и b_H1 показано на фиг. 3а, б, а соотношения (1)-(4) сводятся к виду:
λ_min/4≤b_H1; (5)
16×D²_H1+D²_E1≥λ²_max/4; (6)
АР работает следующим образом.

Информативный сигнал на выходе разъема 11 в симметричной полосковой линии возбуждает электромагнитное поле с вертикальной поляризацией, которое в этой же линии разделяется на четыре равные части и поступает на вход рупорных излучателей АР 12, 13, 14 и 15, где оно преобразуется в поле излучения, суммируясь на выходе АР.

На фиг. 4а приведена восьмиэлементная широкополосная АР, имеющая N = 4 и М = 2. В H-плоскости решетка представляет АР со смещенной на один элемент осью симметрии, возбуждаемую несимметричной полосковой линией.

АР содержит (фиг. 4а) диэлектрическую пластину 16 с металлизацией 17, диэлектрическую пластину 18 с металлизацией 19, две металлические пластины 20, 21, две диэлектрические вставки 22, 23 и сумматор 24 с входным разъемом 25.

На фиг. 4б показана форма металлизации 17, 19, выполненной на поверхности диэлектрических пластин 16 и 18. Причем, высота пластины 18 с металлизацией 19 равна h₁ (верхний край пластины показан пунктирной линией 26), а высота пластины 16 с металлизацией 17 - равна h₂.

Таким образом, АР имеет две линейки 27 и 28 по четыре излучающих элемента в каждой (в H-плоскости), объединенные в два рупора в E-плоскости, образующих единую излучающую апертуру АР. Каждая линейка возбуждается несимметричной полосковой линией (через входной разъем 25 и сумматор 24), образованной на длине l₁ металлической пластиной 20, диэлектрической вставкой 22 и металлизацией 19 (металлической пластиной 21, диэлектрической вставкой 23 и металлизацией 19). В каждой из полосковых линий входное поле разделяется по амплитуде на четыре равные части по числу возбуждаемых в каждой линейке рупорных излучателей. Рупорные излучатели являются продолжением полосковой линии и образуются металлизацией 17 (19) и металлической платиной 20 (21) так, что входное сопротивление каждого рупорного излучателя во все рабочем диапазоне частот остается постоянным.

Для рассматриваемой АР определение параметров D_H1, D_E1, b_H1 и b_E1 показано на фиг. 4а, б, а соотношение (4) сводится к виду:
16×D²_H1+4×D²_E1≥λ²_max/4; (8)
В качестве элементной базы для изготовления АР могут использоваться типовые конструкционные материалы, имеющие широкое промышленное распространение. Для изготовления металлических пластин применима медная лента. В качестве фольгированного диэлектрика применяют фольгированный текстолит, гетенакс и т. п. В качестве диэлектрических вставок могут использоваться пенопласты.

Формула изобретения

1. Способ возбуждения широкополосной антенной решетки, в котором преобразуют информативный сигнал в электромагнитное поле с линейной поляризацией, разделяют электромагнитное поле по амплитуде на n частей по числу рупорных излучателей антенной решетки и модулируют поле по пространственной амплитуде и фазе с учетом номера каждого элемента антенной решетки и его пространственного положения так, чтобы обеспечить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение, отличающийся тем, что после разделения поля по амплитуде на n частей дополнительно модулируют его по пространственной амплитуде и фазе в каждом рупорном излучателе так, чтобы обеспечить постоянство входного сопротивления во всем рабочем диапазоне частот, а параметры пространственной модуляции определяют из формул
λ²_min/16≤b²_E1+b²_H1;
b_E1 ≤ D_E1/2;
b_H1 ≤ D_H1/2;
N²×D²_H1+M²×D²_E1≥λ²_max/4;
где λ_min - минимальная длина волны требуемого рабочего диапазона частот антенной решетки;
b_E1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;
b_H1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;
D_E1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;
D_H1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;
N - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;
М - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;
λ_max - максимальная длина волны требуемого рабочего диапазона частот антенной решетки.

2. Широкополосная антенная решетка, содержащая полосковую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены система возбуждения на n выходов и связанный с ней излучающий раскрыв, выполненный из n рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, отличающаяся тем, что каждый выход системы возбуждения плавно переходит в рупорный излучатель решетки в Е и Н плоскости, причем каждый рупорный излучатель образуется так, что волновое сопротивление в любом его сечении вдоль оптической оси решетки остается постоянным, все рупорные излучатели электрически замкнуты между собой, образуя единую пространственную апертуру антенной решетки, а ее геометрические параметры определяются из соотношений

b_E1 ≤ D_E1/2;
b_H1 ≤ D_H1/2;
N²×D²_H1+M²×D²_E1≥λ²_max/4;
где λ_min - минимальная длина волны требуемого рабочего диапазона частот антенной решетки;
b_E1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;
b_H1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;
D_E1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;
D_H1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;
N - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;
М - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;
λ_max - максимальная длина волны требуемого рабочего диапазона частот антенной решетки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4