Сверхширокополосная многолучевая зеркальная антенна



Сверхширокополосная многолучевая зеркальная антенна
Сверхширокополосная многолучевая зеркальная антенна
Сверхширокополосная многолучевая зеркальная антенна
Сверхширокополосная многолучевая зеркальная антенна

 


Владельцы патента RU 2541871:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике. Технический результат - снижение уровня боковых лепестков парциальных диаграмм направленности и повышение надежности работы антенны при одновременном упрощении конструкции отражателя. Для этого сверхширокополосная многолучевая зеркальная антенна содержит несимметричный параболический отражатель и группу вынесенных из фокуса облучателей, размещенных в фокальной области, при этом облучатели выполнены в виде идентичных сверхширокополосных гребневых комбинированных рупоров. На верхнюю и нижнюю области рабочей поверхности отражателя нанесено радиопоглощающее покрытие с обратно пропорциональной зависимостью модуля коэффициента отражения от частоты в пределах рабочего диапазона. Центральная область, свободная от покрытия, в проекции на плоскость апертуры имеет вид эллипса. Толщина покрытия по периметру эллиптической области на участке шириной (4-5)λмин возрастает по линейному закону от нуля до полной толщины покрытия. Фаза коэффициента отражения покрытия не превышает 36° в низкочастотной части рабочего диапазона, в которой модуль коэффициента отражения составляет более 0,1. Модуль коэффициента отражения покрытия выбран убывающим от 0,85 до 0,05 в девятикратной полосе рабочих частот. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике и может быть использовано в средствах радиотехнического контроля для обнаружения и пеленгования источников радиоизлучения.

Известна многолучевая зеркальная антенна (патент РФ №2234774, опубл. 20.08.2004, H01Q 15/14), обеспечивающая формирование многолучевого пучка из нескольких парциальных диаграмм направленности (ДН) в широкой полосе частот со стабилизированным уровнем пересечения за счет уменьшения зависимости ширины парциальных ДН от частоты.

Антенна содержит отражатель, выполненный в виде набора параллельных проводящих пластин, кромки которых образуют параболическую поверхность, и группу вынесенных из фокуса облучателей. Эффект стабилизации ширины парциальных ДН в диапазоне частот для электромагнитной волны с поляризацией, параллельной пластинам, достигается за счет уменьшения размера эффективно фокусирующего отражателя с ростом частоты при переменном шаге пластин, изменяющемся по линейному закону от половины минимальной длины волны в центре до половины максимальной длины волны рабочего диапазона на периферии отражателя.

Антенна имеет ряд недостатков, в частности:

- низкий КПД, особенно в области верхних частот;

- искажения формы главного лепестка парциальных ДН и высокий уровень бокового излучения, связанные с дискретностью структуры и несинфазным сложением полей, фокусируемых фрагментами селективной поверхности отражателя с различными расстояниями между пластинами;

- необходимость применения эффективного поглощающего экрана с тыльной стороны отражателя для блокирования энергии облучателей, просачивающейся между пластинами в заднюю полусферу;

- сложность конструкции и трудоемкость изготовления сборного отражателя, состоящего из большого числа тонких пластин.

Известна многолучевая зеркальная антенна (патент РФ №2336615, опубл. 20.10.2008, H01Q 15/00), в которой устранена часть недостатков описанного выше аналога.

Антенна содержит отражатель, выполненный из параллельных проводящих пластин, кромки которых образуют параболическую поверхность, и вынесенные из фокуса облучатели с линейной зависимостью ширины их диаграммы направленности от длины волны. Антенна, формирующая пучок пересекающихся между собой парциальных лучей, имеет более высокий КПД и более стабильные по ширине парциальные ДН за счет применения облучателей с зависимостью ширины их диаграммы направленности от длины волны, например, решеток из логопериодических антенн (ЛПА) или широкополосных рупоров.

Антенна имеет большинство тех же недостатков, что и предыдущая. Кроме того, подъем коэффициента усиления на верхних частотах сдерживается возрастанием потерь в коаксиальном фазированном тракте и многоканальном сумматоре решетки логопериодических облучателей. Продольное перемещение активной зоны излучения ЛПА с изменением частоты приводит к расфокусировке отражателя. Применение в качестве облучателей решеток ЛПА или рупоров с размером раскрыва не менее длины волны на нижней частоте рабочего диапазона сопровождается ростом их габаритов, что затрудняет размещение облучателей в фокальной области на расстояниях, требуемых для поддержания необходимого уровня пересечения парциальных ДН.

Известна многолучевая зеркальная антенна (патент РФ №2435262, опубл. 27.11.2011, МПК H01Q 15/14), принятая за прототип как наиболее близкая к заявляемому объекту по технической сущности.

Антенна содержит несимметричный параболический отражатель и группу вынесенных из фокуса облучателей, размещенных в фокальной области. На рабочую поверхность отражателя нанесено радиопоглощающее покрытие, характеризующееся обратно

пропорциональной зависимостью коэффициента отражения от частоты в рабочем диапазоне. В центральной части отражателя во весь его горизонтальный размер установлена непокрытая металлическая полоса высотой h=85λмин0,5, где λмин - минимальная длина волны рабочего диапазона частот, θ0,5 - ширина луча парциальной ДН антенны. Металлическая полоса по профилю совпадает с центральной частью параболической поверхности отражателя и смещена от нее на величину λмин в сторону фокуса для выравнивания в дальней зоне фаз отдельных составляющих суммарного поля излучения, фокусируемых непокрытой и покрытыми частями отражателя. Идентичные рупорные облучатели размещены по дуге радиуса R=(1,05-1,1)f, где f - фокусное расстояние, с центром в середине ближней кромки отражателя с угловым интервалом θ0,5 между собой и направлены продольными осями в центр непокрытой полосы. Модуль коэффициента отражения материала покрытия изменяется от 0,8 до 0,1 в диапазоне от максимальной до минимальной длины волны соответственно.

Благодаря применению сплошного отражателя и сверхширокополосных комбинированных рупорных облучателей с частотнозависимыми ДН прототип имеет более высокие электрические и технико-экономические характеристики, чем приведенные выше аналоги.

Рассматриваемый прототип имеет в свою очередь и ряд недостатков:

- повышенный уровень ближних (апертурных) боковых лепестков парциальных ДН в области средних и верхних частот в азимутальной плоскости, определяемый прямоугольной формой отражающей поверхности в виде металлической полосы;

- высокий уровень ближних боковых лепестков парциальных ДН в вертикальной плоскости, особенно внутри сектора пучка лучей, достигающий уровня минус 10 дБ, вызванный ступенчатым изменением амплитуды возбуждения апертуры отражателя на границе раздела между непокрытой и покрытыми областями отражателя;

- сложность реализации конструкции центральной параболической полосы большого физического размера, повторяющей с высокой степенью точности профиль отражателя и удаленной от него на строго выдерживаемое расстояние.

Первые из отмеченных недостатков способствуют снижению помехозащищенности и однозначности определения пеленга источников радиоизлучения и затрудняют реализацию алгоритма точного определения угла места цели моноимпульсным методом в средствах радиотехнического контроля с антенными системами, построенными на основе описываемого прототипа. Последний приводит к повышению сложности и стоимости производства отражателя и к снижению надежности работы антенны и радиоэлектронного средства в целом.

Задача заявляемого изобретения - снижение уровня боковых лепестков парциальных диаграмм направленности и повышение надежности работы антенны при одновременном упрощении конструкции отражателя.

Решение этой задачи достигается тем, что в многолучевой зеркальной антенне, содержащей несимметричный параболический отражатель, у которого на его верхнюю и нижнюю области рабочей отражающей поверхности нанесено частотнозависимое радиопоглощающее покрытие с обратно пропорциональной зависимостью модуля коэффициента отражения от частоты в пределах рабочего диапазона, а центральная область свободна от покрытия, группу вынесенных из фокуса облучателей, выполненных в виде идентичных комбинированных рупоров, размещенных с угловым интервалом, равным ширине парциальных диаграмм направленности θ0,5, по дуге окружности с центром в средине нижней кромки отражателя и радиусом R=(1,05-1,1)f, где f - фокусное расстояние, и направленных продольными осями в центр непокрытой области отражателя, центральная непокрытая область отражателя выполнена так, что ее проекция на плоскость апертуры имеет вид эллипса, большая ось которого равна горизонтальному размеру отражателя, а малая ось имеет размер h=(75-90)λмин0,5, толщина покрытия по периметру эллиптической области на границе раздела между непокрытой и покрытыми областями отражателя в пределах участка шириной (4-5)λмин возрастает по линейному закону от нуля до полной толщины покрытия, при этом фаза коэффициента отражения покрытия не превышает 36° в той низкочастотной области рабочего диапазона, в которой модуль коэффициента отражения составляет более 0,1.

Модуль коэффициента отражения покрытия выбран величиной, изменяющейся от 0,85 до 0,05 в диапазоне от минимальной до максимальной частоты соответственно.

На фиг.1 приведена схема построения антенны.

На фиг.2 изображен общий вид антенны.

На фиг.3 изображены экспериментальные диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости в девятикратной полосе рабочих частот от 2 ГГц до 18 ГГц.

На фиг.4 изображены экспериментальные диаграммы направленности первого канала в азимутальной плоскости на частотах 8 ГГц, 12 ГГц и 18 ГГц.

Сверхширокополосная 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.

Ближняя кромка отражателя 1 отстоит от фокальной оси OF на 20 λмин. В горизонтальной плоскости отражатель 1 имеет профиль симметричной параболы с размером 110 λмин и относительным фокусным расстоянием равным 0,575.

На верхнюю и нижнюю области рабочей поверхности отражателя нанесено частотнозависимое радиопоглощающее покрытие 3 с обратно пропорциональной зависимостью модуля коэффициента отражения от частоты. В качестве материала покрытия в предлагаемом техническом решении применен тонкий (около четверти минимальной длины волны λмин) пневматически напыляемый поглощающий материал РАН-54 (ТУ 225739-077-29012159-2009) на основе кремнийорганического связующего Лестосил-СМ-НТ. В девятикратной полосе рабочих частот от 2 ГГц до 18 ГГц модуль коэффициента отражения материала покрытия убывает с ростом частоты от 0,85 до 0,05, а набег фазы не превышает 36° в низкочастотной области от 2 ГГц до 8 ГГц, в которой модуль коэффициента отражения составляет более 0,1 и фазирование полей, отраженных от непокрытой и покрытых областей является необходимым для формирования неискаженных стабилизированных по ширине парциальных ДН.

Центральная область 4 рабочей поверхности отражателя 1, свободная от покрытия, является продолжением профиля основного параболоида и выполнена таким образом, что в проекции на плоскость апертуры имеет форму эллипса шириной на весь горизонтальный размер отражателя и высотой h=15λмин. Толщина покрытия по периметру эллиптической области на границе раздела 5 между непокрытой и покрытыми областями отражателя в пределах участка шириной (4-5)λмин возрастает по линейному закону от нуля до полной толщины покрытия.

Продольные оси облучателей 2 направлены в точку "К" - центр отражателя 1 и размещены с угловым интервалом, равным ширине парциальных диаграмм направленности θ0,5, по дуге MN. Дуга MN является дугой окружности с центром в середине нижней кромки отражателя и радиусом R=1,05f (Зеркальные сканирующие антенны. Л.Д. Бахрах, Г.К. Галимов. М.: «Наука», 1981, с.53-54).

Сверхширокополосные рупорные облучатели полностью аналогичны облучателям, приведенным в описании прототипа.

В составе конструкции антенны (фиг.2) облучатели защищены обтекателем 6 с радиопрозрачным окном 7 от воздействия внешней среды. Вся конструкция антенны размещена на азимутальном опорно-поворотном устройстве 8.

Многолучевая зеркальная антенна работает следующим образом.

На нижних частотах рабочего диапазона, где модуль коэффициента отражения покрытия максимален, работает вся поверхность отражателя с размером апертуры Н. С ростом частоты модуль коэффициента отражения материала покрытия снижается, чем обусловлен эффект уменьшения размера эквивалентного раскрыва в вертикальной плоскости. На верхних частотах работает в основном отражающая поверхность центральной непокрытой области отражателя. Таким образом, рост частоты сопровождается уменьшением размера эффективной отражающей поверхности, вследствие чего стабилизируется ширина парциальных ДН и возрастает отношение фокусного расстояния к размеру апертуры, что способствует снижению искажений парциальных ДН, вызванных выносом облучателей из фокуса. На верхней границе частотного диапазона ширина парциальных ДН определяется в основном размером h непокрытой области рабочей поверхности отражателя, распределением амплитуды, задаваемым облучателями и формой непокрытой области, которая выбрана эллиптической с целью снижения уровня первых (апертурных) боковых лепестков парциальных ДН за счет формирования более спадающего распределения амплитуды возбуждения эквивалентной линейной апертуры в главных плоскостях. Плавное изменение толщины покрытия по периметру эллиптической области на границе раздела между непокрытой и покрытыми областями отражателя в пределах участка шириной (4-5)λмин способствует дополнительному снижению уровня ближних боковых лепестков парциальных ДН в вертикальной плоскости за счет сглаживания ступенчатого изменения функции распределения амплитуды возбуждения эквивалентной линейной апертуры.

Применение тонкого покрытия на основе материала РАН-54, набег фазы которого не превышает 36° в низкочастотной области от 2 до 8 ГГц, способствует практически синфазному сложению в дальней зоне излучения полей, отраженных от непокрытой и покрытых областей поверхности отражателя. Это обстоятельство позволило отказаться от выноса непокрытой области поверхности отражателя в сторону фокуса в виде пьедестала, как было предложено в прототипе, что существенно упрощает конструкцию и способствует повышению технологичности производства отражателя и надежности антенны. Значение фазы коэффициента отражения в области частот 8-18 ГГц не является значимым для формирования стабилизированных по ширине парциальных ДН, так как вклад покрытых областей поверхности отражателя в формирование ДН в этой области частот является незначительным за счет низкого коэффициента отражения материала покрытия, не превышающего 0,1, и направленности облучателей, возрастающей с частотой.

Применение на поверхности отражателя покрытия РАН-54 на основе кремнийорганических полимерных связующих, обладающих высокой степенью адгезии к металлам и повышенными физико-механическими характеристиками, обеспечивает надежную работоспособность антенны во всеклиматических условиях в широком интервале температур при воздействии вибрации и других механических факторов. Кроме этого, на нижней границе рабочего диапазона частот 2 ГГц благодаря более высокому значению модуля коэффициента отражения покрытия РАН-54, равному 0,85 по сравнению с 0,8 у прототипа, достигнуто повышение коэффициента усиления парциальных каналов на 0,5 дБ.

Экспериментальные исследования макета многолучевой зеркальной антенны показали (фиг.3 и фиг.4), что по сравнению с прототипом достигнуто снижение уровня боковых лепестков в вертикальной плоскости на 2-7 дБ, а в азимутальной плоскости в среднем 5 дБ, при этом в высокочастотной области от 8 ГГц до 18 ГГц их уровень не превышает минус 28 дБ. Снижена масса, упрощена конструкция и технология производства антенны при возросших показателях надежности работы в реальных условиях эксплуатации и при более высоких энергетических параметрах, чем у прототипа.

1. Сверхширокополосная многолучевая зеркальная антенна, содержащая несимметричный параболический отражатель, у которого на верхнюю и нижнюю области отражающей поверхности нанесено радиопоглощающее покрытие, имеющее обратно пропорциональную зависимость модуля коэффициента отражения от частоты в пределах рабочего диапазона, а центральная область свободна от покрытия, и группу вынесенных из фокуса облучателей, выполненных в виде идентичных комбинированных рупоров, размещенных с угловым интервалом, равным ширине парциальных диаграмм направленности θ0,5, по дуге окружности с центром в средине нижней кромки отражателя и радиусом R=(1,05-1,1)f, где f - фокусное расстояние, и направленных в центр отражателя, отличающаяся тем, что центральная непокрытая область отражателя выполнена так, что ее проекция на плоскость апертуры имеет вид эллипса с размером малой оси h=(75-90)λмин0,5, где λмин - минимальная длина волны рабочего диапазона частот, а толщина покрытия по периметру эллиптической области на участке шириной (4-5)λмин возрастает по линейному закону от нуля до полной толщины покрытия, при этом фаза коэффициента отражения покрытия не превышает 36° в той низкочастотной области рабочего диапазона, в которой модуль коэффициента отражения составляет более 0,1.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что модуль коэффициента отражения покрытия отражателя выбран величиной, изменяющейся от 0,85 до 0,05 в диапазоне от минимальной до максимальной частоты соответственно.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат заключается в уменьшении эффективной площади рассеяния антенны в полосе ее рабочих частот.

Изобретение относится к устройствам типа чок-ринг, используемым в глобальных навигационных спутниковых системах (ГНСС) для борьбы с многолучевостью. Технический результат - уменьшение веса устройства при сохранении прочности и устойчивости конструкции к вибрационным нагрузкам.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенным системам. Технический результат - упрощение конструкции антенной системы и ослабление климатико-механических требований к составным частям антенной системы.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к шарнирным соединениям, и преимущественно может быть использовано в развертываемых стержневых конструкциях каркасов параболических антенных рефлекторов, применяемых, например, в космической технике.

Изобретение относится к развертываемому крупногабаритному антенному рефлектору. .

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенным устройствам. .

Изобретение относится к области радиотехники. .

Изобретение относится к антенной технике. .

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для изготовления приемопередающих антенн. .

Складной параболический рефлектор содержит гибкие ребра, обтянутые сетеполотном. Гибкие ребра выполнены из материала с двойной термомеханической памятью формы для заданных крайних значений температуры при эксплуатации рефлектора. Для придания рефлектору двойной памяти формы его закрепляют в кондукторе из материала с минимальным коэффициентом температурного расширения и подвергают термоциклированию в количестве циклов, равном не менее 10 на крайние значения температуры условий эксплуатации. В результате при нагревании и охлаждении рефлектора сохраняется требуемая форма отражающей поверхности. Технический результат заключается в повышении стабильности формы отражающей поверхности рефлектора при изменении температуры окружающей среды. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Радиолокационная антенна содержит минимум один излучатель, работающий в заданной полосе рабочих частот, размещенные перед излучателями в одной плоскости устройства частотной селекции с полосовыми характеристиками, позволяющими пропускать электромагнитное излучение в полосе рабочих частот, а за пределами этой полосы - отражать. При этом излучатели размером многим меньше рабочей длины волны размещают на проводящей плоскости внутри сквозных отверстий, соразмерных излучателям, диэлектрического листа заданной толщины, прикрепленного внутренней стороной к проводящей плоскости. Технический результат заключается в уменьшении эффективной площади рассеяния антенны в полосе ее рабочих частот. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

Отражатель электромагнитных волн для калибровки устройства радиолокационных систем образован соединением поверхностей минимум трех проводящих прямых круговых цилиндров с одинаковым радиусом основания и разной длиной образующих, лежащих в одной плоскости. Причем длина и радиус выбираются с учетом минимальной и максимальной длины электромагнитной волны излучателей антенн радиолокационных систем. Технический результат заключается в упрощении процесса калибровки и сокращении времени ее проведения. 6 ил.
Наверх