Многолучевая зеркальная антенна

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенным устройствам. Техническим результатом является уменьшение искажения диаграммы направленности, повышение уровня пересечения и уменьшение фона бокового излучения диаграмм направленности в широкой полосе частот с использованием отражателя с поглотителем на его поверхности. Многолучевая зеркальная антенна содержит несимметричный параболический отражатель и группу вынесенных из фокуса облучателей, размещенных в фокальной области. На рабочую поверхность отражателя нанесен поглотитель с обратно пропорциональной зависимостью коэффициента отражения от частоты рабочего диапазона. В центральной части отражателя по всей поверхности установлена металлическая полоса высотой , где λ_мин - минимальная длина волны рабочего диапазона частот, - ширина луча диаграммы направленности антенны, смещенная на величину λ_мин в сторону фокуса. Облучатели идентичны и выполнены в виде комбинированных рупоров с гребнями, обеспечивающими работу в девятикратной полосе частот. Коэффициент отражения поглотителя выбран в диапазоне от 0,8 до 0,1. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к области антенн, и может быть использовано для обнаружения и пеленгации объектов.

Известна многолучевая зеркальная антенна трехкоординатной РЛС (Справочник по радиолокации, т.4, «Советское радио», М, 1978, с.71).

Антенна содержит секцию параболического отражателя, которая облучается группой расположенных в вертикальной плоскости неподвижных рупоров. При передаче группа облучателей возбуждается синфазно и форма диаграммы направленности соответствует, примерно, закону распределения cosec²θ. При приеме каждый рупор подключен к соответствующему приемнику и формируется в вертикальной плоскости "веер" из пересекающихся между собой парциальных диаграмм направленности (ПДН).

Антенна не может обеспечить высокий уровень пересечения ПДН в широкой полосе частот при низком уровне фона боковых лепестков, так как с повышением частоты ширина ПДН уменьшается пропорционально частоте и уровень пересечения падает до недопустимого уровня.

При использовании в качестве облучателей рупоров с раскрывами, близкими к открытым концам волноводов с целью повышения уровня пересечения, происходит переоблучение раскрыва отражателя, в результате увеличивается уровень бокового излучения и снижается коэффициент направленного действия (КНД) антенны. Кроме того, в антенне продольные оси рупорных облучателей параллельны между собой и облучают отличные друг от друга участки отражателя, что приводит к расширению и искажению формы ПДН в горизонтальной плоскости.

Известна многолучевая зеркальная антенна (патент России №2234774 от 2004.08.20, H01Q 15/14), обеспечивающая формирование "веера" из нескольких ПДН в широкой полосе частот со стабилизированным уровнем пересечения.

Антенна содержит несимметричный параболический отражатель и четыре вынесенные из фокуса облучателя, продольные оси которых параллельны между собой. Стабилизация уровня пересечения обеспечена за счет того, что отражатель выполнен из проводящих пластин, кромки которых установлены таким образом, что формируют локальные параболические отражающие поверхности. Пластины размещены на расстоянии, меняющемся по линейному закону от до , где λ_мин и λ_макс - минимальная и максимальная длина волны рабочего диапазона. В антенне повышена стабилизация уровня пересечения за счет уменьшения зависимости ширины диаграмм направленности от частоты, которая происходит за счет изменения локальных отражающих поверхностей.

Однако из-за неоднородности поверхности отражателя в антенне проявляются дифракционные краевые эффекты, приводящие к деформации главного лепестка ПДН с изменением частоты, в результате чего снижается и становится нестабильным уровень пересечения ПДН, а также увеличивается фон заднего и бокового излучения. Из-за параллельности осей облучателей искажается ПДН в ортогональной плоскости. Конструкция и технология изготовления отражателя сложны и требуют значительных затрат при реализации.

Известна многолучевая зеркальная антенна (патент России №2336615 от 2006.12.15, H01Q 15/14), которая принята за прототип как наиболее близкая к заявляемому объекту по технической сущности.

Антенна содержит отражатель, выполненный из параллельных проводящих пластин, кромки которых образуют параболическую поверхность и вынесенные из фокуса облучатели с линейной зависимостью их ширины диаграммы направленности от длины волны. Антенна формирует "веер" из пяти пересекающихся между собой ПДН. В антенне повышена стабилизация ширины парциальных диаграмм направленности за счет использования облучателей с зависимостью ширины их диаграммы от частоты, например логопериодических.

В антенне искажены главные лепестки ПДН, низкий уровень пересечения между отдельными лучами и составляет около минус 8-9 дБ, а это приводит к провалам огибающей пучка парциальных диаграмм направленности, особенно в высокочастотной части диапазона. Кроме того, антенна имеет значительный фон бокового излучения за счет неоднородностей в виде кромок пластин и просачивания энергии в заднее пространство. Уровень боковых лепестков достигает минус 5-7 дБ. Использование логопериодических облучателей приводит к переоблучению апертуры отражателя и дополнительному увеличению фона бокового излучения, а также к снижению КНД антенны. Использование решетки в виде облучателей приводит к проблеме их размещения для обеспечения необходимого уровня пересечения ПДН. Конструкция и технология изготовления антенны сложны и требуют значительных затрат при реализации.

Задача заявляемого изобретения - уменьшение искажения парциальных диаграмм направленности, повышение их уровня пересечения в широкой полосе частот и уменьшение фона боковых лепестков при упрощенной конструкции отражателя.

Решение этой задачи достигается тем, что в многолучевой зеркальной антенне, содержащей несимметричный параболический отражатель и группу вынесенных из фокуса облучателей, размещенных в фокальной области, на рабочую поверхность отражателя нанесен поглотитель, характеризующийся обратно пропорциональной зависимостью коэффициента отражения от частоты рабочего диапазона, а в центральной части отражателя по всей его поверхности установлена не покрытая поглотителем металлическая полоса высотой , где λ_мин - минимальная длина волны, - ширина луча диаграммы направленности антенны, причем металлическая полоса по профилю одинакова с центральной частью несимметричной параболической поверхности отражателя и смещена на величину λ_мин в сторону фокуса, а идентичные облучатели размещены по дуге радиуса R=(1,05-1,1)f, где f - фокусное расстояние, от ближней кромки отражателя через градуса относительно друг друга и направлены продольными осями в центр параболической полосы, причем коэффициент отражения поглотителя выбран величиной, изменяющейся от 0,8 до 0,1 в диапазоне от максимальной до минимальной длины волны соответственно.

На фиг.1 приведена схема построения антенны.

На фиг.2 приведена конструкция облучателя.

На фиг.3 изображен общий вид антенны.

На фиг.4 изображены экспериментальные диаграммы направленности в угломестной плоскости в диапазоне частот от f_н до 9f_н, где f_н - нижняя частота диапазона.

Многолучевая зеркальная антенна (фиг.1) состоит из несимметричного параболического отражателя 1 с отношением фокусного расстояния f к размеру апертуры в вертикальной плоскости, равным 0,795, и комбинированных рупорных облучателей 2 в количестве 5 штук, установленных друг над другом.

Облучатели 2 своими раскрывами направлены в центр отражателя 1 и размещены по дуге MN радиуса R=1,05f, проведенного из нижней кромки отражателя 1 через углы , равные ширине луча диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости (Зеркальные сканирующие антенны. Л.Д.Бахлах, Г.К.Галимов, М., «Наука», 1981, с.53-54).

Второй сверху облучатель 2' направлен продольной осью через фокус F (FK), как и все остальные, в точку "К" - центр отражателя 1. Ближняя кромка отражателя 1 отстоит от фокальной оси OF на 20λ_мин.

В горизонтальной плоскости отражатель 1 имеет профиль симметричной параболы и его размер составляет 110λ_мин, а отношение его фокусного расстояния f к раскрыву равно 0,575.

В центральной части отражающей поверхности отражателя 1 установлена металлическая параболическая полоса 3 шириной на весь горизонтальный размер симметричной параболической части отражателя и высотой h, равной 15λ_мин. Параболическая металлическая полоса имеет то же фокусное расстояние, что и отражатель и размер до боковых кромок центральной части несимметричного отражателя. Металлическая полоса 3 смещена по направлению оси OZ на λ_мин. Роль отражающей полосы может выполнять пьедестал, выполненный штамповкой при изготовлении отражателя. Остальная поверхность отражателя 1 покрыта поглощающим материалом 4, который имеет коэффициент отражения, увеличивающийся от величины 0,1 до 0,8 в диапазоне понижения частоты электромагнитной энергии, падающей на его поверхность, от максимальной до минимальной соответственно. В качестве поглотителя в предлагаемом техническом решении использованы два слоя поглощающего материала: первый ХВ-10,6 и второй слой В2-Ф3, закрепленных на поверхности отражателя 1 вплотную.

Облучатель (фиг.2) выполнен в виде комбинированного рупора (Антенно-фидерные устройства, А.Л.Драбкин, В.Л.Зузенко, А.Г.Кислов, «Советское радио», М., 1974, с.272).

Облучатель состоит из коаксиального разъема 5, штыря 6, изолятора 7, гребней 8, стенок рупора 9, насадки комбинированной 10, кронштейна 11, заглушки 12 и радиопрозрачной стенки 13.

Коаксиальный разъем 5 выполнен стандартным, в который входят штырь 6 и изолятор 7. Гребни 8 имеют экспоненциальный профиль, начинаются от изолятора 7 и заканчиваются у комбинированной насадки 10, гребни должны иметь электрический контакт по всей поверхности стенок рупора 9. Рупор 9 выполнен с размером раскрыва от конца гребней 4,8λ_мин (Е-плоскость) и в ортогональной плоскости (Н-плоскость) 6,0λ_мин. Насадка комбинированной части рупора имеет размеры в Е-плоскости 10λ_мин, а в Н-плоскости 7,5λ_мин. Общая длина рупорного облучателя равна 15λ_мин.

В составе конструкции антенны (фиг.3) облучатели защищены обтекателем 14 с радиопрозрачным окном 15 от воздействия внешней среды. Вся конструкция антенны размещена на азимутальном опорно-поворотном устройстве 16.

Многолучевая зеркальная антенна работает следующим образом.

На нижних частотах рабочего диапазона, где поглощающие свойства поглотителя минимальны, работает вся поверхность отражателя, а с повышением частоты поглощающие свойства материала увеличиваются и тем самым эффективный раскрыв уменьшается. В области высоких частот работает, в основном, дополнительная отражающая поверхность высотой , выдвинутая от основной на λ_мин, чем исключаются фазовые искажения диаграммы направленности в области высоких частот из-за дефокусировки облучателей. Кроме того, с повышением частоты при уменьшении эффективной отражающей поверхности расширяется диаграмма направленности и тем самым стабилизируется ее ширина, увеличивается отношение f к размеру апертуры и становятся меньше искажения ПДН из-за выноса облучателей из фокуса. В области высоких частот ширина диаграммы направленности определяется, в основном, размером h дополнительной поверхности. Уменьшается также зависимость ширины ДН от частоты. В области высоких частот работает в большей степени рупорная часть облучателя, а в области низких частот больший вклад в формирование диаграммы направленности облучателя вносит комбинированная часть увеличенного раскрыва рупора, уменьшающая уровень «переливания» энергии за кромки отражателя, снижая тем самым уровень фона боковых лепестков. Поглотитель исключает краевые дифракционные эффекты, что также способствует снижению фона боковых лепестков и повышению стабильности уровня пересечения парциальных диаграмм направленности.

Экспериментальные исследования работы многолучевой зеркальной антенны показали (фиг.4), что по сравнению с прототипом уменьшены искажения ПДН, повышен уровень пересечения парциальных диаграмм направленности в среднем на 3-4 дБ в девятикратной полосе частот, снижен уровень фона боковых лепестков в секторе ПДН до 12 дБ, за сектором - до 20 дБ, а в заднем секторе - до 35 дБ. Упрощена конструкция и технология изготовления антенны при тех же энергетических параметрах, что и у прототипа.

1. Многолучевая зеркальная антенна, содержащая несимметричный параболический отражатель и вынесенные из фокуса облучатели, размещенные в фокальной области, отличающаяся тем, что на рабочую поверхность отражателя нанесен поглотитель, имеющий обратно пропорциональную зависимость коэффициента отражения от частоты рабочего диапазона, а по длине центральной части несимметричной параболической поверхности отражателя со смещением на величину λ_мин в сторону фокуса установлена металлическая полоса, совпадающая профилем с отражателем, высотой , где λ_мин - минимальная длина волны рабочего диапазона частот, - ширина луча диаграммы направленности антенны, при этом облучатели, выполненные в виде идентичных комбинированных рупоров, размещены по дуге радиуса R=(1,05-1,1)f от ближней кромки отражателя через угол градуса относительно друг друга и направлены продольными осями в центр параболической металлической полосы, где f - фокусное расстояние.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что коэффициент отражения поглотителя выбран величиной, изменяющейся от 0,8 до 0,1 в диапазоне от максимальной до минимальной длины волны соответственно.