Фазированная антенна с круговой пространственной поляризацией
Изобретение относится к высокочастотным антенным системам. Фазированная антенная решетка (ФАР) с круговой пространственной поляризацией представляет собой многослойную панель с n-ячейками квадратного сечения, образующими рупорообразные излучатели. Данная ФАР снабжена двухсетевой распределительной волноводной системой. Внутренние полости сквозных ячеек панелей первых трех слоев образуют единую объемную решетку с n-ячейками (n - любое целое число, кратное четырем), полости которых образуют рупорообразные излучатели, представляющие собой волноводы квадратного поперечного сечения с раскрывами в виде рупоров с углом наклона внутренних стенок 15-25 град от оси ячейки, при этом длина стороны рупора у основания раскрыва составляет 0,86-0,91 L длины стороны ячейки при высоте рупора (0,3-0,4)L. Делители мощности, выполненные в виде местного сужения волновода, одновременно выполняют функцию четвертьволнового трансформатора. На выходах волноводов после делителя имеются переходные уголки в виде металлических параллелепипедов. Технический результат - обеспечение одновременного приема и передачи радиосигналов с правой и левой круговыми поляризациями в диапазоне частот 10,7-12,7 ГГц с высоким коэффициентом усиления. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к средствам радиосвязи, в частности к высокочастотным антенным системам, которые предназначены для передачи и приема радиосигналов с разной пространственной поляризацией в диапазоне частот 10,7-12,7 ГГц.
Данная антенна позволяет обеспечивать более высокий коэффициент усиления в сравнении с известными параболическими антеннами при меньших габаритных размерах и может быть использована для связи со спутниками. Изобретение обеспечивает формирование в пространстве правой и левой круговой поляризации для передаваемых сигналов и одновременный прием сигналов этих поляризаций. Возможность одновременной передачи и приема сигналов двух поляризаций существенно расширяет функциональные возможности антенной системы. Новые качества антенны достигаются за счет используемой конструктивной схемы двухполяризационных излучателей и применения двойной схемы питания излучателей, обеспечивающей независимое питание излучателей. Предлагаемая комбинация волноводов, излучателей и системы питания обеспечивает работу антенны в широкой полосе частот с малым уровнем потерь в распределительной системе, что позволяет реализовать высокий коэффициент усиления всей антенны в широкой полосе частот и низкий уровень боковых лепестков. В данной системе достаточно просто может быть реализован моноимпульсный режим работы при использовании нескольких двойных Т-мостов.
В настоящее время известны антенные системы, включающие в себя фазированную антенную решетку (ФАР), излучатели, магистральные и ответвленные волноводы. Так, например, патент RU №2300833 содержит моноимпульсную фазированную антенную решетку, состоящую из линеек излучателей, соединенных с линейками фазовращателей, волноводного распределителя, состоящего из магистральных волноводов и отводов. При этом волноводный распределитель состоит из групп, построчно заполняющих весь раскрыв двухмерной моноимпульсной ФАР. Однако данная антенна не может обеспечить одновременный прием сигналов двух поляризаций и имеет сравнительно малую рабочую полосу частот (всего несколько процентов).
Известна конструкция и способ изготовления многослойного щелевого волновода, имеющего многослойную структуру, на основе металлических слоев с синтетическим диэлектрическим покрытием (патент US №6,861,996 В2 с приоритетом 01.03.2005 г., который является наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и может быть принят в качестве прототипа). В данной конструкции в разных слоях размещены волноводные распределители и продольные излучатели. Эта антенна может обеспечить работу только с одной линейной поляризацией и не может одновременно работать с двумя линейными поляризациями, а также работать с сигналами круговой поляризации. Кроме того, использованные в этой конструкции антенны волноводные делители не могут обеспечить хорошее согласование на краях рабочей полосы частот, что в итоге приводит к дополнительным потерям мощности в распределительной системе и снижению коэффициента усиления на крайних частотах рабочего диапазона. По этим причинам она имеет ограниченную область применения.
Целью заявленного изобретения является создание ФАР, обеспечивающей одновременный прием и передачу радиосигналов с правой и левой круговыми поляризациями в диапазоне частот 10,7-12,7 ГГц с высоким коэффициентом усиления.
Указанная цель достигается за счет новой схемы многослойной ФАР, имеющей с лицевой стороны n-прямоугольных ячеек, которые представляют собой рупорные излучатели, возбуждаемые квадратными волноводами, содержащими поляризатор с согласующими элементами. К излучателям подведены волноводы по двухуровневой распределительной системе, расположенной в разных слоях антенны. Важными факторами достижения поставленной цели является подбор конструктивных параметров используемых в данной антенне элементов-излучателей, волноводов, трансформаторов и согласующих элементов.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает внешний вид антенны круговой поляризации;
Фиг.2 изображает послойную структуру антенны, условно разделенную на шесть слоев;
Фиг.3 изображает излучатель, который находится в ячейках трех лицевых слоев;
Фиг.4 изображает схему верхней волноводной распределительной сети, образованной прямоугольными каналами на сопряженных поверхностях второго и третьего ячеистых слоев антенны (здесь показаны каналы волноводов, образованных на тыльной поверхности второго ячеистого слоя);
Фиг.5 изображает схему верхней волноводной распределительной системы, образованной прямоугольными каналами на сопряженных поверхностях второго и третьего ячеистых слоев антенны (здесь показаны каналы волноводов, образованных на лицевой поверхности третьего ячеистого слоя);
Фиг.6 изображает в изометрии пластину четвертого слоя антенны - одну из трех пластин нижней распределительной волноводной системы;
Фиг.7 изображает в изометрии пластину пятого слоя антенны, также являющуюся составной частью нижней распределительной волноводной системы;
Фиг.8 изображает в изометрии пластину шестого слоя антенны, также являющуюся составной частью нижней распределительной волноводной системы.
Фазированная антенная решетка с круговой пространственной поляризацией по данному изобретению представляет собой многослойную панель с n-ячейками квадратного сечения, образующими рупорообразные излучатели, и снабженную двухсетевой распределительной волноводной системой. Внутренние полости сквозных ячеек панелей первого 1, второго 2 и третьего 3 слоев, образуют единую объемную решетку с n-ячейками (n - любое целое число, кратное четырем), полости которых образуют рупорообразные излучатели, представляющие собой волноводы квадратного поперечного сечения с раскрывами в виде рупоров с углом наклона внутренних стенок 15-25 град. от оси ячейки. При этом длина стороны рупора у основания раскрыва составляет 0,86-0,91 L длины стороны ячейки при высоте рупора (0,3-0,4)L. Внутри излучателей установлены четырехступенчатые металлические гребни 4 из прямоугольного профиля с закрепленными на них согласующими элементами 5 в виде металлических пластин в форме параллелепипедов, а также на уровне второго слоя закреплены согласующие элементы в виде прямоугольных пластин 6.
Построенная по схеме деления параллельного типа распределительная волноводная система представляет собой двухуровневую сеть волноводов, каждая сеть которой состоит из магистральных волноводов и отводов. Верхняя распределительная волноводная сеть 7 образована прямоугольными каналами с тыльной стороны слоя 2 и соответственно с лицевой стороны слоя 3, ориентированных широкой стороной перпендикулярной плоскости этих слоев. В местах разветвления волноводов выполнены делители мощности 8 в виде местного сужения волновода. Данное сужение также позволяет согласовывать делитель по входу и выходу. На выходах волноводов после делителя имеются переходные уголки 9 в виде металлических параллелепипедов.
Нижняя волноводная сеть образована тремя слоями 10, 11 и 12 антенны, выполненных в виде металлических пластин и содержащих согласующие элементы-делители 13, диафрагмы 14 и четвертьволновые трансформаторы 15.
Четвертый слой 10 антенны, плотно прилегающий к тыльной поверхности ячеистого слоя 3, имеет n/4 переходных волноводных площадки для передачи сигнала на четыре излучателя. В пределах каждой площадки имеются четыре сквозных окна 16, а центральная часть площадки выполнена с утонением толщины металла в площади условной буквы Н, при этом выступающие полоски металла 17 выполняют роль волноводного делителя.
Пластина пятого слоя 11 антенной решетки также имеет n/4 распределительных волноводных площадок для передачи сигнала на четыре излучателя, соосно расположенных под площадками слоя 10. Каждая площадка слоя 11 имеет утоненные участки в виде симметричных трапециевидных лепестков 19. К площадке подведены отводы запитывающего волновода 20 нижней распределительной сети. На каждой площадке имеется разделительный элемент 21. У основания трапеций лепестков переход толщины пластины выполнен в виде скоса.
Пластина шестого слоя 12 содержит n/16 распределительных площадок 22, образованных за счет местного утонения толщины пластины 12, при этом каждая распределительная площадка представляет собой волноводную разводку с одинаковыми плечами на каждую группу излучателей в количестве, равном n/4. В местах соединения плеч отводов имеются металлические выступы 23 и сужения делителей 14, а на выходе волноводов установлены уголки 24.
Для обеспечения синфазного излучения правой и левой круговой поляризации излучатели ориентированы гребнями навстречу друг другу в смежных рядах ячеек.
Устройство работает следующим образом.
При приеме сигналов правой или левой круговой поляризации падающая из свободного пространства электромагнитная волна попадает в рупорообразную часть излучателя, где при прохождении через зону установки ступенчатого гребня 4 волна круговой поляризации раскладывается на две взаимно ортогональные составляющие, разность фаз между которыми составляет ±90 град. (в зависимости от направления вращения). При прохождении через область излучателя, где расположен гребень, эта разность фаз становиться равной нулю. Далее электромагнитная волна поступает через волноводный делитель 18 в верхнюю распределительную сеть 7 и далее на выход фазированной решетки волноводного канала между третьим и четвертым слоями, а волна с поляризацией противоположного направления вращения направляется в нижнюю сеть системы. При прохождении волноводных делителей и согласующих элементов двух сетей распределительной системы происходит сложение энергии от четверок смежных излучателей и уменьшение уровня отраженной волны в широкой полосе частот за счет согласующих элементов. Согласующие элементы 5, 6, 14 и 15 позволяют существенно улучшить параметры излучения во всей полосе частот и обеспечивают согласование волноводного сопротивления излучателя, волновода распределительной системы и свободного пространства. После сложения мощности от всех излучателей она поступает на выходы третьего 3 и шестого слоя 12 антенны соответственно левой или правой поляризации.
При работе на передачу поступающая на входы антенны электромагнитная энергия с помощью волноводных делителей 18 и 22 распределяется между четверками излучателей, в которых согласующие элементы (14 и 15) уменьшают уровень отраженной волны, поступающей обратно на вход антенны. Затем электромагнитная энергия поступает на соответствующие входы излучателя. За счет ступенчатого гребня 4 и расположенных перпендикулярно ему прямоугольных пластин 5 поступившая электромагнитная энергия раскладывается на две взаимно ортогональные составляющие, которые после прохождения области гребня поступают на выход рупора с взаимным фазовым сдвигом, равным ±90 град., соответственно образуя на выходе рупора правую или левую вращающиеся поляризации. Далее через рупорообразную часть излучателя электромагнитная энергия распространяется в свободное пространство. Пластины 5 позволяют уменьшить коэффициент взаимной связи между волноводами верхней и нижней распределительных систем.
1. Фазированная антенная решетка с левой и правой круговой пространственной поляризацией, выполненная в виде многослойной панели из материалов с высокой проводимостью с n-ячейками квадратного сечения и содержащая излучатели и волноводную распределительную систему, отличающаяся тем, что в полостях сквозных ячеек трех верхних слоев выполнены волноводные излучатели квадратного поперечного сечения с раскрывами в форме рупора, внутри которых размещены закрепленные на пластине четвертого слоя четырехступенчатые металлические гребни прямоугольного профиля с установленными на них согласующими параллелепипедными металлическими элементами, при этом распределительная волноводная система состоит из верхней и нижней сетей, верхняя сеть которой образована совмещенными волноводными каналами в виде прямоугольных углублений в тыльной поверхности второго слоя и соответственно в лицевой поверхности третьего слоя, а нижняя волноводная сеть образована совмещенными тремя пластинами четвертого, пятого и шестого слоев.
2. Фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что распределительная волноводная система выполнена по схеме деления параллельного типа и состоит из магистральных участков и волноводных делителей мощности, при этом в местах соединения плеч отводов выполнены выступы и сужения делителей.
3. Фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что на выходе волноводов в излучатели установлены переходные уголки и согласующие элементы.
4. Фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что на внутренних стенках ячеек второго слоя закреплены согласующие элементы прямоугольного сечения.
5. Фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что четвертый слой имеет n/4 (n - любое целое число, кратное четырем) переходных волноводных площадок на четыре излучателя, при этом в пределах каждой площадки имеются по четыре сквозных окна, а в центральной части каждая площадка выполнена по форме буквы Н с утоньшением толщины металла.
6. Фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что пластина пятого слоя имеет n/4 распределительных волноводных площадок, соосно расположенных под площадками четвертого слоя, при этом каждая площадка имеет утоньшенные участки в виде симметричных трапециевидных лепестков, которые разделены между собой закрепленным на острие выступов площадки разделительным волноводом, а на каждом лепестке имеется разделительный элемент в виде металлического выступа, причем у оснований трапеций лепестков переход толщины пластины выполнен в виде скоса.
7. Фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что пластина шестого слоя содержит n/16 распределительных волноводных площадок, образованных за счет местного утонения толщины пластины, при этом каждая распределительная площадка представляет собой волноводную разводку с одинаковыми плечами на каждую n/4 группу излучателей, выход которой соединен с магистральными волноводами, при этом в местах соединения плеч отводов имеются металлические выступы и сужения делителей, а на выходе волноводов установлены переходные уголки, причем в местах деления групп отводов и на выходе магистрального волновода имеются четвертьволновые трансформаторы.
8. Фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что излучатели в смежных рядах ячеек ориентированы гребнями навстречу друг другу.
9. Фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что рупорообразная часть излучателя выполнена с углом наклона внутренних стенок 15-25° от оси ячейки, а при этом длина стороны рупора у основания раскрыва составляет 0,86-0,91 L - длины стороны ячейки при высоте рупора (0,3-0,4)L.
