Двухдиапазонная фазированная антенная система с электронным управлением лучом

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано на борту летательных аппаратов. Технический результат заключается в минимизации воздействия излучения низкочастотного диапазона ФАР на характеристики излучения высокочастотной ФАР при обеспечении высоких эксплуатационных характеристик. Сущность изобретения состоит в том, что двухдиапазонная антенная система с электронным управлением лучом содержит фазированную антенную решетку (ФАР) высокочастотного диапазона, линейные волноводные излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру, и ФАР низкочастотного диапазона, линейные волноводные излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру. Линейные волноводные излучатели высокочастотного и низкочастотного диапазонов образуют единую апертуру антенной системы. Центры излучения обеих ФАР совпадают. Линейные волноводные излучатели низкочастотного диапазона расположены между двумя линейными волноводными излучателями высокочастотного диапазона, соединены между собой общими широкими сторонами волноводов и образуют секции, которые соединены между собой короткозамкнутыми волноводами, глубиной L₂, одновременно кратной нечетному числу четвертей длин волн высокочастотного и низкочастотного диапазонов. Линейные волноводные излучатели высокочастотного диапазона расположены с шагом L, равным 0,9-0,95 длины волны высокочастотного диапазона. Волноводные излучатели низкочастотного диапазона расположены с шагом L₁, равным 1,8-1,9 длины волны высокочастотного диапазона. Кроме того, отношение частот высокочастотного и низкочастотного диапазонов равно 3,6-4,0. 1 ил.

 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в размещаемых на борту летательного аппарата радиолокационных станциях (РЛС) с фазированной антенной решеткой (ФАР), используемых как в системах управления вооружением, так и системах общего назначения (метео-РЛС, РЛС систем управления движением т.д.).

Известны многодиапазонные антенны сантиметрового диапазона («Зарубежная электроника» №3, 1978, с.38-62). Двухчастотные антенные решетки частный случай таких антенн. В известных двухдиапазонных антеннах решена задача «совмещения радиочастотных антенн в одном излучающем раскрыве» (Л.И.Пономарев «Сканирующие многочастотные антенные решетки», гл.6 в кн. «Проблемы антенной техники» / Под ред. Л.Д.Бахраха, Д.И.Воскресенского. Радио и связь, 1989).

Известна двухчастотная ФАР (AP-S Int., Symp., Amherst 1976, New York, 1976, рр 323-325), содержащая группу примыкающих друг к другу открытых концов волноводов высокочастотного и низкочастного диапазона, причем излучатели обоих частотных диапазонов размещены в одной апертуре и представляют собой волноводно-волноводную совмещенную ФАР, а также фидерную систему разводки и управления фазой и амплитудой сигналов.

Известна двухчастотная ФАР (Д.И.Воскресенский, 1994, Антенны и устройства СВЧ, Москва, Радио и связь, с.107, фиг.4.2г), включающая единую апертуру антенной системы, которая образована открытыми концами низкочастотных волноводов, а раскрыв высокочастотных волноводов служит рефлектором для поля низкочастотного диапазона, волноводы низкочастотного диапазона возбуждаются штырями от коаксиальных линий, причем высокочастотные волноводы изучают через отрезки низкочастотных волноводов.

Известна двухчастотная ФАР (Д.И.Воскресенский, 1994, Антенны и устройства СВЧ, Москва, Радио и связь), включающая единую апертуру антенной системы, в которой расположены разночастотные излучатели, два независимых тракта питания, состоящие из делителей мощности высокочастотного и низкочастотного диапазонов, а также двух блоков фазовращателей этих диапазонов, а также полосовых фильтров, включенных на входе делителей мощности и/или перед каждым излучателем. При этом, как правило, излучатели низкочастотного диапазона располагаются над излучателями низкочастотного диапазона.

Известны двухдиапазонные совмещенные антенные решетки (Л.И.Пономарев, Л.В.Гордиенко, А.Ю.Павлов, "Исследование характеристик сканирующих двухчастотных совмещенных вибраторных антенных решеток". Изв. ВУЗов, "Радиоэлектроника", т.36, №5, 1993, с.41-48 и Л.И.Пономарев, В.И.Степаненко, "Результаты анализа и оптимизация двухчастотной совмещенной волноводной ФАР", в кн. "Антенны", сборник статей, вып.34 / Под ред. А.А.Пистолькорса, Москва, Радио и связь, 1986, с.68-84). Решетки-аналоги содержат раскрыв, заполненный излучателями двух типоразмеров: в первом случае это вибраторы, во втором открытые концы волноводов.

Недостатками решеток-аналогов являются сложность конструкции, проблемы с обеспечением одномодовых режимов, отсутствие планарности и нетехнологичность.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является двухдиапазонная антенная система с электронным управлением лучом (патент РФ №2177662, МПК Н 01 Q 21/00, 2001), включающая фазированную антенную решетку (ФАР) высокочастотного диапазона, волноводные излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру, ФАР низкочастотного диапазона, излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру. Излучатели обеих ФАР образуют единую апертуру антенной системы. Центры излучения обеих ФАР совпадают между собой или сдвинуты на величину периода расположения излучателей высокочастотной ФАР. Излучатели высокочастотной ФАР объединены в непрерывные линейки. Излучатели низкочастотной ФАР расположены между линейками высокочастотной ФАР, образуя ряды вибраторных излучателей. Величины периодов расположения излучателей низкочастотной ФАР в ряду выполняют точно в соответствии с требуемым для заданного сектора сканирования значением, а между рядами - дискретно с шагом, кратным значению периода расположения линеек излучателей высокочастотной ФАР.

Совмещение разночастотных ФАР в рамках одной или перекрывающихся апертур позволяет значительно расширить их функциональные возможности. Однако совмещение ФАР приводит к взаимному искажению характеристик, особенно высокочастотной ФАР, причем небольшие искажения в характеристиках направленности высокочастотной ФАР возникают при совпадении поляризации обеих решеток. Основной вклад в эти искажения вносят токи, наводимые электромагнитным полем высокочастотной ФАР на активные плечи низкочастотных вибраторов. Интенсивность этих токов и, соответственно, величина искажений существенно зависят от длины активных плеч вибраторов.

Влияние вибраторов на характеристики излучения высокочастотной антенной решетки, обусловленное паразитным возбуждением плеч вибраторов полем высокочастотной антенной решетки, проявляется как увеличение уровня боковых лепестков и снижение коэффициента усиления высокочастотной антенной решетки. Вибраторные излучатели имеют понижающую устойчивость к воздействию механических и климатических факторов по сравнению с волноводными излучателями. Кроме того, в случае если низкочастотный диапазон является, например, двух-трехсантиметровым, потери энергии сверхвысокой частоты в линиях питания вибраторов значительно возрастают, что приводит к уменьшению коэффициента усиления ФАР низкочастотного диапазона и снижению ее КПД.

Технический результат предлагаемого технического решения заключается в минимизации воздействия излучения низкочастотного диапазона ФАР на характеристики излучения высокочастотной ФАР при обеспечении высоких эксплуатационных характеристик.

Технический результат достигается тем, что двухдиапазонная антенная система с электронным управлением лучом содержит фазированную антенную решетку (ФАР) высокочастотного диапазона, линейные волноводные излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру, и ФАР низкочастотного диапазона, линейные волноводные излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру. Линейные волноводные излучатели высокочастотного и низкочастотного диапазонов образуют единую апертуру антенной системы. Центры излучения обеих ФАР совпадают. Линейные волноводные излучатели низкочастотного диапазона расположены между двумя линейными волноводными излучателями высокочастотного диапазона. Излучатели низкочастотного диапазона соединены между собой общими широкими сторонами волноводов и образуют секции. Секции в свою очередь соединены между собой короткозамкнутыми волноводами, выполненными в виде короткозамкнутых пазов, глубиной L₂, одновременно кратной нечетному числу четвертей длин волн высокочастотного и низкочастотного диапазонов. Линейные волноводные излучатели высокочастотного диапазона расположены с шагом L, равным 0,9-0,95 длины волны высокочастотного диапазона. Волноводные излучатели низкочастотного диапазона расположены с шагом L₁, равным 1,8-1,9 длины волны высокочастотного диапазона. Кроме того, отношение частот высокочастотного и низкочастотного диапазонов равно 3,6-4,0.

Отличительными признаками от прототипа является то, что линейные волноводные излучатели низкочастотного диапазона расположены между двумя линейными волноводными излучателями высокочастотного диапазона. Излучатели низкочастотного диапазонов соединены между собой общими широкими сторонами волноводов и образуют секции. Секции в свою очередь соединены между собой короткозамкнутыми волноводами, выполненными в виде короткозамкнутых пазов, глубиной L₂, одновременно кратной нечетному числу четвертей длин волн высокочастотного и низкочастотного диапазонов. Линейные волноводные излучатели высокочастотного диапазона расположены с шагом L, равным 0,9-0,95 длины волны высокочастотного диапазона. Волноводные излучатели низкочастотного диапазона расположены с шагом L₁, равным 1,8-1,9 длины волны высокочастотного диапазона. Кроме того, отношение частот высокочастотного и низкочастотного диапазонов равно 3,6-4,0.

На чертеже представлена апертура двухдиапазонной антенной системы с электронным управлением лучом.

Двухдиапазонная антенная система с электронным управлением лучом (в одной плоскости) состоит: из фазированной антенной решетки высокочастотного диапазона 1, выполненной из линейных волноводных излучателей 2, образующих регулярную периодическую структуру, фазированной антенной решетки низкочастотного диапазона 3, линейные волноводные излучатели 4 которой образуют регулярную периодическую структуру. Линейные волноводные излучатели высокочастотного 2 и низкочастотного 4 диапазонов образуют единую апертуру антенной системы. На лицевой, узкой стороне линейных волноводных излучателей 2 и 4, представляющих собой короткозамкнутые волноводы прямоугольного сечения, выполнены излучающие щели 6. Центры излучения обеих фазированных антенных решеток совпадают. Линейные волноводные излучатели низкочастотного диапазона 4 расположены между двумя линейными волноводными излучателями высокочастотного диапазона 2. Линейные излучатели низкочастотного диапазона 4 расположены между двумя линейными волноводными излучателями высокочастотного диапазона 2, соединены между собой общими широкими сторонами волноводов и образуют секции. Секции в свою очередь соединены между собой короткозамкнутыми волноводами 5, выполненными в виде короткозамкнутых пазов. Короткозамкнутые волноводы 5 расположены в незанятых зонах апертуры фазированной антенной решетки, имеют глубину L₂, одновременно кратную нечетному числу четвертей длин волн высокочастотного и низкочастотного диапазонов. Линейные волноводные излучатели высокочастотного диапазона 2 расположены с шагом L, равным 0,9-0,95 длины волны высокочастотного диапазона.

Волноводные излучатели низкочастотного диапазона 4 расположены с шагом L₁, равным 1,8-1,9 длины волны высокочастотного диапазона. Отношение высоты линейных волноводных излучателей 2 и 4 к ширине канала равно 0,145-0,155. Период расположения линейных волноводных излучателей низкочастотного диапазона 4 в два раза превышает период расположения линейных волноводных излучателей высокочастотного диапазона 2, что позволяет получить требуемые параметры фазированной антенной решетки в обоих диапазонах.

В другой плоскости (вдоль линеек) линейные волноводные излучатели располагаются с периодом, равным 0,5-0,6 длины волны в волноводе, образующем линейку высокочастотной или низкочастотной ФАР.

Кроме того, отношение частот высокочастотного и низкочастотного диапазонов равно 3,6-4,0.

Система работает следующим образом.

Излучатели высокочастотного диапазона 2 и излучатели низкочастотного диапазона 4 возбуждаются по своим законам и формируют требуемые диаграммы направленности.

Электрическое сканирование диаграмм направленности происходит в плоскости, расположенной перпендикулярно линейным волноводным решеткам излучателей высокочастотного диапазона 2 и излучателей низкочастотного диапазона 4 (для положения антенной системы, показанной на чертеже, эта плоскость горизонтальная), за счет изменения фазового распределения на входах линейных волноводных решеток.

Рассогласование фазированных антенных решеток с фидерной системой, вызванное взаимодействием излучателей высокочастотного диапазона 2 и излучателей низкочастотного диапазона 4 при сканировании, уменьшает реализуемое усиление ФАР, приводит к искажению диаграмм направленности и росту бокового излучения. Для компенсации этого явления на апертуре антенной системы с периодом, равным периоду расположения линейных волноводных решеток низкочастотного диапазона, установлена решетка короткозамкнутых плоских волноводов 5 глубиной L₂. Глубина L₂ выбрана такой, что она одновременно кратна нечетному числу четвертей длин волн высокочастотного и низкочастотного диапазонов, что приводит к уменьшению влияния соседних секций линейных волноводных решеток друг на друга за счет того, что в данном месте апертуры антенны антенной системы входное сопротивление короткозамкнутого плоского волновода равно бесконечности. Решетка короткозамкнутого плоского волновода позволяет улучшить характерстики обеих фазированных антенных решеток во всем секторе сканирования. Расчеты показывают, что решетка короткозамкнутых плоских волноводов позволяет уменьшить потери рассогласования до 0,8 дБ, что эквивалентно увеличению площади апертуры 20%.

Двухдиапазонная фазированная антенная система с электронным управлением лучом, включающая фазированную антенную решетку высокочастотного диапазона, линейные волноводные излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру, и фазированную антенную решетку низкочастотного диапазона, линейные волноводные излучатели которой образуют регулярную периодическую структуру, при этом линейные волноводные излучатели высокочастотного и низкочастотного диапазонов образуют единую апертуру антенной системы, а центры излучения обеих фазированных антенных решеток совпадают, отличающаяся тем, что линейные волноводные излучатели низкочастотного диапазона расположены между двумя линейными волноводными излучателями высокочастотного диапазона, соединены между собой общими широкими сторонами волноводов и образуют секции, которые соединены между собой короткозамкнутыми волноводами, глубиной L2, одновременно кратной нечетному числу четвертей длин волн высокочастотного и низкочастотного диапазонов, при этом линейные волноводные излучатели высокочастотного диапазона расположены с шагом L, равным 0,9-0,95 длины волны высокочастотного диапазона, а линейные волноводные излучатели низкочастотного диапазона расположены с шагом L1, равным 1,8-1,9 длины волны высокочастотного диапазона, кроме того, отношение частот высокочастотного и низкочастотного диапазонов равно 3,6-4,0.