Волноводная распределительная система

Изобретение относится к радиотехнической промышленности средств связи и может использоваться в волноводной СВЧ-измерительной и антенной технике как самостоятельно, так и в составе антенных решеток. Технический результат заключается в улучшении функциональных возможностей волноводной распределительной системы при работе в широком диапазоне частот (>5-7% f₀). Волноводная распределительная система состоит из четырех строчно-столбцовых делителей, в каждый из которых входят выполненные из многощелевых направленных ответвителей, последовательно объединенных общим магистральным волноводом, по одному распределителю-столбцу и п линеек-строк, и СВЧ-сумматора. Волноводные каналы направленных ответвителей выполнены шириной а=(0,7±0,1)λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, и высотой b≤0,2λ, при этом длина щелей не превышает ≤0,3λ. СВЧ-сумматор выполнен из четырех двойных тройников с волноводными каналами высотой не более b≤0,2λ. 3 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнической промышленности средств связи и может использоваться в волноводной СВЧ-измерительной и антенной технике как самостоятельно, так и в составе антенных решеток.

Известен малогабаритный многоплечий волноводный делитель мощности [см. Патент США №5196812, НКИ 33/113, 1994 г.], состоящий из волноводных секций, связанных друг с другом по общей широкой стенке через два удлиненных отверстия. Входная секция разветвляет СВЧ-энергию в несколько параллельных волноводных секций аналогичной конструкции.

Известен многоканальный делитель, использующий в своем составе направленные ответвители на скрещенных волноводах [см. Патент США №3518576, НКИ 333-10, 1970 г.], состоящий из N направленных ответвителей, объединенных прямоугольным магистральным волноводом, и имеющий N ответвленных каналов квадратного сечения, расположенных со стороны одной из широких стенок магистрального волновода. В качестве элементов связи в каждом ответвителе используются по две узкие щели, расположенные на расстоянии где λ_в - длина волны в волноводе, а ответвленные каналы ориентированы под углом 90° к оси магистрального волновода.

Известен многоканальный волноводный делитель, состоящий из N многощелевых направленных ответвителей, объединенных единым магистральным волноводом, и имеющий N ответвленных каналов, ориентированных под углом β к оси магистрального волновода и расположенных на обеих его широких стенках. Щели прорезаны в общей широкой стенке ответвленного и магистрального каналов [см. Патент №2158049 РФ, Н01Р 5/18, H01Q 13/26, 03.1999 г.].

Наиболее близким по своей технической сущности и конструкции к предлагаемому техническому решению является распределительная система [Волноводная распределительная система бортовой антенны с электронным управлением лучом, авт. А.И.Синани, Р.Д.Позднякова, Митин В.А., сб. "Антенны", вып.6(61) 2002 г.], состоящая из четырех строчно-столбцовых делителей, запитываемых с помощью СВЧ-сумматора, каждый из которых включает по одному распределителю-столбцу и n линеек-строк.

Как распределители-столбцы, так и линейки-строки, состоят из последовательно соединенных в каждом распределителе общим магистральным волноводом многощелевых направленных ответвителей (НО).

Основными недостатками известных технических решений являются:

- ограниченная ширина рабочего диапазона частот (Δf˜5-7% f₀), где f₀ - частота проектирования;

- сильное изменение амплитудного распределения линеек и связанное с этим нарушение амплитудного распределения в апертуре фазированной антенной решетки (ФАР) в диапазоне более 5-7% f₀, где P_i - мощность на выходе i канала линеек, Р_вх - мощность на входе линейки;

- нарушение функций СВЧ-сумматора и, как следствие, разрушение суммарно-разностных характеристик волноводной распределительной системы (ВРС) и соответствующих им диаграмм направленности (ДН) (по суммарному каналу - Σ, по разностным каналам - Δ_АЗ и Δ_УМ, по разность-разностному каналу - ΔΔ) в составе ФАР в диапазоне более 5-7% f₀.

Технический результат предлагаемого решения заключается в расширении рабочего диапазона частот при одновременной стабилизации в этом диапазоне амплитудно-фазового распределения в раскрыве ФАР.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в улучшении функциональных возможностей ВРС при работе в широком диапазоне частот (>5-7% f₀), которое обеспечивается тем, что в волноводной распределительной системе, состоящей из четырех строчно-столбцовых делителей, в каждый из которых входят выполненные из многощелевых направленных ответвителей, последовательно объединенных общим магистральным волноводом, по одному распределителю-столбцу и n линеек-строк, и СВЧ-сумматора, волноводные каналы направленных ответвителей выполнены шириной а=(0.7±0.1)λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, и высотой b≤0.2λ, в многощелевых направленных ответвителях длина щелей 1 не превышает ≤0.3λ, а СВЧ-сумматор выполнен из четырех двойных тройников с волноводными каналами высотой не более b≤0.2λ [см. "Справочник по элементам радиоэлектронных устройств", ред. д.т.н. А.А.Куликовский, к.т.н. В.И.Дулина, М.С.Жук, г.Москва, "Энергия", 1977 г., стр.455, 555-556].

Возможность реализации предложенного технического решения определяется тем, что

1) указанные пределы изменения ширины волноводных каналов ВРС: а=(0.7±0.1)λ - позволяют обеспечить полосу пропускания волны H₁₀ через ВРС вплоть до 40% f₀ и снять принципиальное ограничение рабочего диапазона частот, возникающее всякий раз в СВЧ-устройствах, когда в нем используются волноводные каналы с сильно отличающимися размерами "а", один из которых близок к , а другой - к а=λ и исключить синфазное сложение отраженных от НО сигналов;

2) снижение высоты всех волноводов строчно-столбцовых делителей до размера b≤0.2λ также позволяет расширить рабочий диапазон ВРС и стабилизировать в этом диапазоне амплитудное распределение, обеспечив КПД≥0.5-0.6;

3) ограничение, наложенное на размеры щели: 1≤0.3λ - позволяет стабилизировать переходные затухания НО распределителей-столбцов и линеек-строк в широком диапазоне частот и тем самым обеспечить стабилизацию амплитудного распределения и КПД ВРС в этой полосе частот по сравнению с прототипом;

4) использование в составе СВЧ-сумматора двойных тройников с высотой каналов b≤0.2λ позволяет расширить рабочую полосу частот СВЧ-сумматора до 35-40% f₀, в которой сохраняется его способность формировать амплитудно-фазовое распределение, соответствующее Σ-Δ диаграммам направленности ФАР.

В результате предложенного технического решения обеспечиваются стабильные амплитудно-фазовые характеристики ВРС в диапазоне не менее (35-40%)f₀.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется следующим описанием и приложенными чнртежами:

На фиг.1 показана схема волноводной распределительной системы.

На фиг.2 изображено амплитудное распределение прототипа (для вертикальной плоскости) в диапазоне частот 40% f₀.

На фиг.3 изображено амплитудное распределение (АР) (для вертикальной плоскости) конкретной реализации предлагаемого технического решения в диапазоне до 40% f₀.

Волноводная распределительная система содержит

- четыре строчно-столбцовых делителя (1, 2, 3, 4), в каждый из которых входят по одному распределителю-столбцу (5_1-4) и по n-линеек-строк (6_1-n);

- каждый из четырех распределителей-столбцов и линеек-строк выполнены из многощелевых направленных ответвителей (7), последовательно соединенных в каждом распределителе-столбце и в каждой линейке-строке единым магистральным волноводом (8), и

- СВЧ-сумматор (9), состоящий из четырех двойных тройников (10), имеющий четыре входа: суммарный (Σ), разностный Δ_АЗ, Δ_УМ и разностно-разностный (ΔΔ).

Пример конкретной реализации предлагаемого технического решения:

- ВРС включает четыре строчно-столбцовых делителя, каждый из которых содержит распределитель-столбец и четырнадцать линеек-строк, состоящих из НО, объединенных в каждом распределителе-столбце и линейке-строке своим магистральным волноводом, и формирующих соответствующее числу НО ответвленных каналов. Количество НО в распределителе-столбце (например, j=14), в линейках-строках (например, I=14-44).

- Строчно-столбцовые делители имеют следующие сечения волноводных каналов:

1) магистральные и ответвленные волноводы распределителя-столбца: а=0.7λ, b=0.15λ;

2) магистральные волноводы линеек-строк: а=0.7λ, b=0.2λ;

3) ответвленные каналы линеек-строк: а=0.65λ, b=0.12λ;

- размеры щелей в области связи НО:

- длина щелей l=(0,3-0.24)λ;

- СВЧ-сумматор выполнен из четырех двойных тройников с высотой волноводных каналов 0.15λ.

Реализованные электрические характеристики предлагаемого варианта распределительной системы:

- рабочий диапазон частот до 40% f₀, в котором обеспечивается работоспособность ВРС;

- максимальное изменение КПД и амплитудного распределения на примере распределителя-столбца в диапазоне частот до 40% f₀ приведено на фиг.3.

Принцип работы предлагаемого устройства (анализ проводится для режима работы ВРС на передачу) состоит в следующем:

СВЧ-энергия со стороны любого из входов ВРС (суммарного Σ, разностных Δ_УМ и Δ_АЗ или разность-разностного ΔΔ) разделяется в СВЧ-сумматоре на четыре равные части (неравномерность деления мощности и КПД являются основными характеристиками сумматора) и поступает в магистральные каналы (8) распределителей-столбцов (5) соответственно. Фазы сигналов в каналах (8) определяются тем, что со стороны какого из входов запитывается ВРС, в результате четыре строчно-столбцовых делителя (1-4) формируют одинаковые амплитудные распределения при следующих взаимных фазах:

- по суммарному (Σ) каналу - все делители синфазны;

- по разностным каналам (Δ_АЗ и Δ_УМ) - попарно-противофазны в азимутальной и угломестной плоскостях соответственно и

- по разность-разностному каналу (ΔΔ) - все соседние делители взаимнопротивофазны.

Стабильность основных амплитудных характеристик СВЧ-сумматора в диапазоне частот и сохранение фазовых соотношений между делителями (1-4) обеспечивают формирование суммарно-разностных характеристик ВРС и соответственно суммарно-разностных ДН в составе ФАР при перестройке частоты в широкой полосе частот. Эта задача решается за счет использования двойных тройников, выполненных из волноводов высотой b<0.2λ.

Форма амплитудного распределения и КПД ВРС определяются выбором длины щелей связи 1 и сечений волноводных каналов (а, b) в распределителях-столбцах и линейках-строках. Изменение формы АР в диапазоне частот обусловлено изменением переходных затуханий (Ln) НО. В широкой полосе частот (>20% f₀) переходные затухания направленных ответвителей в общем случае сильно меняются при перестройке рабочей частоты, что приводит к сильному искажению формы амплитудного распределения (фиг.2). Изменение АР при изменении частоты в предлагаемом техническом решении минимизировано за счет ограничения размеров щелей связи направленных ответвителей (1≤0.3λ) и волноводных каналов (а=(0.7±0.1)λ; b≤0.2λ), что позволяет реализовать дополнительный положительный эффект - улучшить как компоновку, так и весовые характеристики ВРС, обеспечить важное для широкоугольного сканирования уменьшение шагов излучающих элементов в апертуре антенной решетки.

Таким образом, технико-экономические преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключаются в увеличении рабочего диапазона частот ВРС до 35-40% f₀ при одновременной стабилизации в этом диапазоне амплитудно-фазового распределения и в дополнении к этому уменьшении массы, улучшении компактности конструкции, а при применении в составе ФАР в расширении ее сектора сканирования за счет уменьшения волноводных каналов ВРС и соответствующего сокращения шагов излучателей в апертуре решетки.

Волноводная распределительная система (ВРС), состоящая из четырех строчно-столбцовых делителей, в каждый из которых входят выполненные из многощелевых направленных ответвителей, последовательно объединенных общим магистральным волноводом, по одному распределителю-столбцу и по n линеек-строк, и СВЧ-сумматора, отличающаяся тем, что каналы направленных ответвителей выполнены шириной а=(0,7±0,1)λ, и высотой b≤0,2λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, а длина щелей в многощелевых направленных ответвителях не превышает 1≤0,3λ, причем СВЧ-сумматор построен из четырех двойных тройников с высотой волноводных каналов не более b≤0,2λ.