Волноводный распределитель для фазированной антенной решетки с оптимизированными характеристиками излучения
Владельцы патента RU 2330357:
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" (RU)
Волноводный распределитель для ФАР с оптимизированными характеристиками излучения состоит из основного и дополнительного линейных делителей, каждый из которых выполнен из направленных ответвителей (НО), объединенных соответственно первым и вторым магистральными волноводами. Ответвленные каналы НО ориентированы под углом 90°-ϕ, где ϕ=0÷20° к своему магистральному волноводу, при этом ответвленные каналы соответствующих НО основного и дополнительного линейных делителей соединены между собой фазосдвигающими элементами. Магистральные волноводы выполнены одинакового трапецеидального сечения с разновысокими узкими стенками и расположены один за другим таким образом, что ответвленные каналы одинакового сечения, находящиеся с двух сторон первого магистрального волновода и имеющие с ним общие участки широких стенок с элементами связи в них, проходят над и под вторым магистральным волноводом так, что после 180° разворота в Е-плоскости они примыкают к широким стенкам второго магистрального волновода и имеют с ним общие участки стенок с элементами связи в них. В каждый ответвленный канал НО установлены диэлектрические вкладыши, а в конце каждого из ответвленных каналов НО, объединенных вторым магистральным волноводом, установлена согласованная нагрузка. Изобретение позволяет реализовать компактную и технологичную конструкцию волноводного распределителя из однотипных высокостабильных направленных ответвителей с увеличенным диапазоном рабочих частот. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнической промышленности и может использоваться в волноводной СВЧ антенной технике как самостоятельно, так и в составе антенных решеток.
Известен многоканальный делитель с использованием направленных ответвителей на скрещенных волноводах [см. патент США № 3518576, НКИ 333-10 от 30.06.70 г., авт. J.A.Algeo],состоящий из N направленных ответвителей, объединенных прямоугольным магистральным волноводом, и имеющий N ответвленных волноводных каналов, расположенных со стороны одной из широких стенок магистрального волновода. При этом ответвленные каналы ориентированы под углом 90° к оси магистрального волновода. Основным недостатком этого технического решения являются ограничения по возможному сектору сканирования в составе ФАР из-за расположения ответвленных каналов только с одной стороны магистрального волновода, недостаточно широкий диапазон рабочих частот из-за ориентации ответвленных каналов под углом 90° к оси магистрального волновода, отсутствие возможностей по оптимизации разностной ДН в составе ФАР.
Известен "Многоканальный волноводный делитель", авт. Н.А.Винярская, В.А.Митин, Р.Д.Позднякова, Б.П.Ястребов, патент на изобретение № 2158049 от 20.10.2000 г., в котором многоканальный волноводный делитель, состоящий из N направленных ответвителей, объединенных единым магистральным волноводом, и имеющий N ответвленных волноводных каналов, ориентированных под углом к оси магистрального волновода и расположенных на обеих широких стенках магистрального волновода. Недостатком приводимого технического решения является то, что при использовании этого делителя в составе распределительной системы, формирующей суммарно-разностные характеристики, не обеспечивается независимое формирование оптимальных амплитудных распределений по суммарному и разностному каналам.
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемому варианту является конструкция, реализующая схемное решение по раздельному (независимому) формированию амплитудных распределений по суммарному и разностному каналам ["Системы распределения СВЧ-сигнала в антеннах с высокой энергетической эффективностью", авт. Р.Д.Позднякова, В.А.Митин, А.И.Синани и др., "Антенны", вып.2 (93), 2005 г.], состоящая из основных и вновь вводимых, дополнительных распределителей (линейных делителей) и сумматора с фазирующим устройством.
Основными недостатками приведенного технического решения являются:
- расположение ответвленных каналов только с одной стороны магистральных волноводов и связанное с этим ограничение по минимально допустимому расстоянию между ответвленными каналами;
- применение направленных ответвителей с пересекающимися под углом 90° каналами, что ухудшает частотные характеристики в заданном диапазоне частот.
Техническая сущность предлагаемого конструктивного решения заключается в том, что волноводный распределитель для ФАР с оптимизированными характеристиками излучения состоит из основного и дополнительного линейных делителей, каждый из которых выполнен из направленных ответвителей (НО), объединенных соответственно первым и вторым магистральными волноводами. Ответвленные каналы НО ориентированы под углом 90°-ϕ, где ϕ=0÷20° к своему магистральному волноводу, при этом ответвленные каналы соответствующих НО основного и дополнительного линейных делителей соединены между собой фазосдвигающими элементами.
Новым в предлагаемом волноводном распределителе с оптимизированными характеристиками излучения является выполнение магистральных волноводов одинакового трапецеидального сечения с разновысокими узкими стенками и расположение их один за другим таким образом, что ответвленные каналы одинакового сечения, находящиеся с двух сторон первого магистрального волновода и имеющие с ним общие участки широких стенок с элементами связи в них, проходят над и под вторым магистральным волноводом так, что после 180° разворота в Е-плоскости они примыкают к широким стенкам второго магистрального волновода и имеют с ним общие участки стенок с элементами связи в них. В каждый из ответвленных каналов НО, объединенных первым магистральным волноводом, на участке между элементами связи НО и 180° разворотом в Е-плоскости установлены диэлектрические вкладыши, а в конце каждого из ответвленных каналов НО, объединенных вторым магистральным волноводом, установлена согласованная нагрузка. Дополнительно к развороту ответвлетвленного канала на 180° в плоскости Е осуществлен разворот в плоскости Н на 2ϕ, где ϕ=0÷40°. При этом толщина общей стенки ответвленных каналов НО до и после разворота в Е-плоскости выбрана равной (0,01÷0,05)λ, где λ - длина волны в свободном пространстве.
Технический результат предлагаемого решения заключается в улучшении компонуемости волноводного распределителя, упрощении конструкции, повышении технологичности, снижении габаритных размеров и массы, а также в улучшении амплитудно-фазовых характеристик в широком диапазоне частот.
Технический результат обеспечен за счет применения в линейных делителях в качестве магистральных одинаковых волноводов трапецеидального сечения, а также ответвленных каналов одинакового сечения, что позволяет реализовать компактную и технологичную конструкцию волноводного распределителя из однотипных высокостабильных направленных ответвителей с увеличенным диапазоном рабочих частот.
На фиг.1 приведено расположение магистральных волноводов и ответвленных каналов волноводного распределителя для ФАР с оптимизированными характеристиками излучения относительно друг друга.
На фиг.2 изображена конструкция фрагмента волноводного распределителя для ФАР с оптимизированными характеристиками излучения.
На фиг.3а, б, в представлены:
а) НО с трапецеидальным магистральным каналом сеч.0,71λ×(0,09λ×0,211λ) и с ответвленным каналом сечения 0,71λ×0,151λ, ориентированным под углом ≠ 90° к магистральному волноводу;
б) НО с прямоугольным магистральным каналом сеч.0,71λ×0,151λ и с ответвленным сеч. 0,71λ×0,151λ, ориентированным под углом = 90°;
в) графики зависимости переходного ослабления Lп НО, показанных на фиг.3а и 3б, от частоты в диапазоне 25%.
На фиг.4а, б в представлены:
а) волноводная фазосдвигающая секция сеч. 0,71λ×0,151λ;
б) диэлектрическая фазосдвигающая секция сеч. 0,71λ×0,151λ;
в) график зависимости изменения фазы от частоты для фазосдвигающих секций, показанных на фиг.4а, 4б в диапазоне 10%;
На фиг.5а, б, в представлены:
а), б) 180° Е-развороты с разворотом в Н-плоскости на углы ϕ и 2ϕ соответственно;
в) графики зависимости КСВ разворотов, показанных на фиг.4а и 4б, от частоты в диапазоне 40%.
Волноводный распределитель для ФАР с оптимизированными характеристиками излучения состоит из основного делителя, выполненного из направленных ответвителей 1, объединенных магистральным волноводом 2, и дополнительного делителя, выполненного из направленных ответвителей 3, объединенных магистральным волноводом 4. В ответвленных каналах НО 5 установлены диэлектрические вкладыши 6, а в ответвленных каналах НО 7 установлены согласованные нагрузки 8. Ответвленные каналы 5 и 7 имеют одну общую широкую стенку и объединены между собой 180° разворотом в Е-плоскости и разворотом 2ϕ в Н-плоскости 9.
Предлагаемый волноводный распределитель выполнен в виде единой конструкции из тонкостенных алюминиевых листовых деталей, выполненных штамповкой, соединяемых между собой при помощи пазов и лепестков с последующей пайкой силумином в расплаве солей и дальнейшей рихтовкой.
Работает волноводный распределитель следующим образом
- в режиме "на передачу" сигнал от передатчика через элементы волноводного тракта поступает на вход основного делителя и далее, распространяясь по магистральному волноводу 2, последовательно ответвляется в ответвленные каналы направленных ответвителей 1, обеспечивая в результате формирование на выходах ответвленных каналов заданного амплитудного распределения;
- в режиме "на прием" сигнал от раскрыва антенны через ряд функциональных элементов ФАР (фазовращатели, элементы волноводной распределительной системы и др.) поступает на выходы ответвленных каналов направленных ответвителей 1, далее частично или полностью (в зависимости от соотношения направлений излученного и принятого сигналов) переходит или только в магистральный волновод 2 основного делителя или распределяется между магистральными волноводами 2 и 4 основного и дополнительного линейных делителей, что в результате после суммирования сигналов от входов магистральных волноводов 2 и 4 обеспечивает улучшение разностной ДН в плоскости расположения волноводного распределителя.
Увеличение диапазона рабочих частот достигнуто за счет применения однотипных волноводных направленных ответвителей с одинаковыми сечениями как магистральных волноводов, так и ответвленных каналов, имеющих близкие амплитудно-фазовые характеристики в широком диапазоне частот и допустимую для сохранения работоспособности разницу характеристик между соответствующими парами направленных ответвителей, принадлежащих каждому из двух линейных делителей. Объединение указанных пар проведено посредством соединения ответвленных каналов пар ответвителей через фазосдвигающие элементы, в которых помимо волноводных разворотов на 180° и угол 2ϕ для увеличения стабильности фазовых характеристик в широком диапазоне частот применены диэлектрические вкладыши, имеющие меньшие частотные зависимости по сравнению с фазосдвигающими элементами только из волноводных элементов.
Таким образом, технико-экономические преимущества предложенного конструктивно-технического решения по сравнению с прототипом заключаются в улучшении массогабаритных характеристик волноводного распределителя, упрощении конструкции, повышении технологичности и улучшении амплитудно-фазовых характеристик в широком диапазоне частот.
Результаты практической реализации предложенного конструктивно-технического решения не вызывают сомнения, изготовлен и прошел испытания экспериментальный образец волноводного распределителя. Испытания подтвердили возможность достижения заявленного технического эффекта.
Предлагаемый волноводный распределитель позволяет:
1. Уменьшить габариты и массу волноводного распределителя на 30÷40% за счет применения в качестве фазосдвигающих элементов комбинации безфланцевых разворотов на 180° в Е-плоскости и диэлектрических вкладышей.
2. Повысить технологичность за счет разработки конструкции, ориентированной на применение высокопроизводительных технологий штамповки из тонкостенного алюминиевого проката и пайки силумином в расплаве солей.
3. Улучшить стабильность амплитудно-фазовых характеристик волноводного распределителя в широком диапазоне частот (2Δf=f0±5%) за счет реализации предложенной конструкции, позволяющей использовать в линейных делителях однотипные, высокостабильные направленные ответвители и фазосдвигающие секции с диэлектрическими вкладышами.
1. Волноводный распределитель для фазированной антенной решетки с оптимизированными характеристиками излучения, состоящий из основного и дополнительного линейных делителей, каждый из которых выполнен из направленных ответвителей (НО), объединенных соответственно первым и вторым магистральными волноводами, причем ответвленные каналы НО ориентированы под углом 90°-ϕ, где ϕ=0÷20°, к своему магистральному волноводу, а ответвленные каналы соответствующих НО основного и дополнительного линейных делителей соединены между собой фазосдвигающими элементами, отличающийся тем, что магистральные волноводы выполнены одинакового трапецеидального сечения с разновысокими узкими стенками и расположены один за другим таким образом, что ответвленные каналы одинакового сечения, находящиеся с двух сторон первого магистрального волновода и имеющие с ним общие участки широких стенок с элементами связи в них, проходят над и под вторым магистральным волноводом так, что после 180° разворота в Е-плоскости они примыкают к широким стенкам второго магистрального волновода и имеют с ним общие участки стенок с элементами связи в них, причем в каждый ответвленный канал НО, объединенных первым магистральным волноводом, на участке между элементами связи НО и 180° разворотом в Е-плоскости установлены диэлектрические вкладыши, а в конце каждого из ответвленных каналов НО, объединенных вторым магистральным волноводом, установлена согласованная нагрузка.
2. Волноводный распределитель по п.1, отличающийся тем, что при развороте ответвленных каналов НО на угол 180° в Е-плоскости дополнительно осуществлен разворот на угол 2ϕ в Н-плоскости, где ϕ=0÷40°.
3. Волноводный распределитель по п.1, отличающийся тем, что толщина общей стенки ответвленных каналов НО до и после 180° разворота в Е-плоскости выбрана равной (0,01÷0,05)λ, где λ - длина волны в свободном пространстве.
