Антенная решётка на радиальном волноводе
Владельцы патента RU 2757866:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к антенной технике, в частности к широкополосным кольцевым антенным решеткам, и может быть использовано в различных широкополосных радиотехнических системах для радиолокации, спутниковой и мобильной связи. Техническим результатом является снижение уровня боковых лепестков диаграммы направленности, уменьшение коэффициента стоячей волны по напряжению, упрощение согласования антенной решетки. Технический результат достигается тем, что антенная решетка на радиальном волноводе содержит излучающую систему, которая образована печатными низкодобротными патчами, расположенными эквидистантно по концентрическим окружностям, лежащим в плоскости, параллельной плоскости радиального волновода, при этом центры концентрических окружностей совпадают с его геометрическим центром; согласующую систему, образованную коаксиальными штырями, расположенными перпендикулярно плоскости излучающей системы, и неоднородный диэлектрик, заполняющий пространство между излучающей, согласующей системами и радиальным волноводом. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к антенной технике, в частности к широкополосным кольцевым антенным решеткам, и может быть использовано в различных широкополосных радиотехнических системах, таких как радиолокация, спутниковая и мобильная связь.
Известна конструкция антенной решетки на радиальном волноводе с невыступающими излучателями в виде щелей (патент US 5175561 А - прототип).
У кольцевой концентрической антенной решетки, принятой за прототип, в качестве излучателей используются щели, прорезанные в верхней части радиального волновода, а для уменьшения отражений в радиальном волноводе используется металлический лист, расположенный под углом 45 к плоскости радиального волновода по его периметру.
К недостаткам описанной конструкции можно отнести:
- для каждого излучателя необходим согласующий ступенчатый переход;
- необходима оптимизация конструкции каждого излучающего элемента, для снижения отражения от боковых стенок радиального волновода;
- применение поглотителя в радиальном волноводе снижает надежность антенной решетки;
- необходимо использовать защитный обтекатель;
- сложность реализации антенной системы с электронным сканированием;
Техническим результатом изобретения является улучшение технических характеристик антенной решетки, заключающееся в снижении уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенной решетки, уменьшении коэффициента стоячей волны по напряжению, упрощение согласования антенной решетки.
Технический результат достигается тем, что антенная решетка выполнена на радиальном волноводе с неоднородным диэлектрическим заполнением, для обеспечения необходимого фазового распределения. Излучающая система представляет собой низкодобротные патчи в форме правильного шестиугольника расположенные эквидистантно по концентрическим окружностям. Связь с волноводом осуществляется коаксиальными зондами, погруженными в радиальный волновод.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображена модель заявляемой кольцевой антенной решетки, на фиг. 2 представлен низкодобротный патч и коаксиальный зонд, на фиг. 3 представлена система коаксиальных штырей с сосредоточенными элементами для компенсации отражений, используемая в заявляемом изобретении, на фиг. 4 представлен коэффициент стоячей волны по напряжению по входу заявляемой антенной решетки без системы согласующих коаксиальных штырей, полученный в результате численного моделирования, на фиг. 5 представлен коэффициент стоячей волны по напряжению по входу заявляемой антенной решетки с системой согласующих коаксиальных штырей, полученный в результате численного моделирования, на фиг. 6 представлены диаграммы направленности конструкции заявляемой антенной решетки без системы согласующих коаксиальных штырей, полученные в результате численного моделирования, на фиг. 7 представлены диаграммы направленности конструкции заявляемой антенной решетки с системой согласующих коаксиальных штырей, полученные в результате численного моделирования, на фиг. 8 представлен макет заявляемой антенной решетки, на фиг. 9 представлена диаграмма направленности, измеренная экспериментально.
Антенная решетка на радиальном волноводе 1 содержит вход 4, излучающую систему, образованную низкодобротными патчами 3, расположенными эквидистантно по концентрическим окружностям в плоскости, параллельной плоскости радиального волновода 1. Центры концентрических окружностей совпадают с его геометрическим центром. Для связи волновода 1 с низкодобротнымии патчами 3 используются коаксиальные зонды 5. Согласующая система образована коаксиальными штырями 6, расположенными перпендикулярно плоскости радиального волновода 1. Неоднородный диэлектрик 2 заполняет пространство между излучающей, согласующей системами и радиальным волноводом 1.
Предложенная антенная решетка работает следующим образом.
Поступающий на вход 4 высокочастотный сигнал возбуждает радиальный волновод 1. Волна, распространяясь от центра радиального волновода к его краям, возбуждает коаксиальные зонды 5, погруженные в радиальный волновод 1 и обеспечивающие связь низкодобротных патчей 3 с радиальным волноводом 1. Применение неоднородного диэлектрика 2 позволяет подобрать необходимое фазовое распределение, а амплитудное распределение задается путем выбора глубины погружения коаксиальных зондов 5, идущих от низкодобротных патчей 3.
Излучающая система, которая образована низкодобротными патчами 3, расположенными эквидистантно по концентрическим окружностям, лежащими в плоскости, параллельной плоскости радиального волновода 1, при этом центры концентрических окружностей совпадают с его геометрическим центром, коаксиальными зондами 5, обеспечивающими связь низкодобротных патчей 3 с радиальным волноводом 1, согласующую систему, образованную коаксиальными штырями 6, расположенными перпендикулярно плоскости радиального волновода 1 и неоднородного диэлектрика 2, заполняющего пространство между излучающей, согласующей системами и радиальным волноводом 1.
В антенной решетке на радиальном волноводе существует проблема отражений от боковых стенок. Особенно эта проблема актуальна в антенных решетках небольшого размера.
В заявляемом техническом решении, для уменьшения отражений от стенок радиального волновода 1 используется система коаксиальных штырей 6, нагруженных на сосредоточенные резисторы (фиг. 2). Система коаксиальных штырей 6 располагается по периметру радиального волновода 1 на расстоянии четверть волны от боковой стенки. Каждый коаксиальный штырь 6 нагружен на сосредоточенный резистор номиналом 50 Ом. Таким образом, система коаксиальных штырей 6 играет роль согласованной нагрузки на краях радиального волновода 1. При диаметре решетки равном 325 мм, система состоит из 68 коаксиальных штырей.
Применение системы коаксиальных штырей 6, показанной на фиг. 3, позволило улучшить коэффициент стоячей волны по напряжению в широкой полосе и снизить уровень боковых лепестков в среднем на 3-5 дБ, в зависимости от частоты. Коэффициент стоячей волны по напряжению на входе антенной решетки представлен на фиг. 4 и 5.
Одной из основных характеристик антенной решетки на радиальном волноводе является ее пространственная диаграмма направленности. Рассчитанные в ходе численного эксперимента диаграммы направленности приведены на фиг. 6 и 7.
Пример практического выполнения.
Заявителем и авторами изготовлен опытный образец антенной решетки (фиг. 8) и измерена диаграмма направленности (фиг. 9).
Испытания полноразмерного образца антенной решетки полностью подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.
Использование предложенных технических решений позволит улучшить показатели электрических параметров, в частности, коэффициента стоячей волны по напряжению, уровня боковых лепестков, упростить конструкцию антенной решетки применением планарной излучающей системы, повысить технологичность изготовления, а также улучшить массогабаритные показатели.
1. Антенная решетка на радиальном волноводе, отличающаяся тем, что содержит излучающую систему, которая образована печатными низкодобротными патчами, расположенными эквидистантно по концентрическим окружностям, лежащим в плоскости, параллельной плоскости радиального волновода, при этом центры концентрических окружностей совпадают с его геометрическим центром, согласующую систему, образованную коаксиальными штырями, расположенными перпендикулярно плоскости излучающей системы, и неоднородный диэлектрик, заполняющий пространство между излучающей, согласующей системами и радиальным волноводом.
2. Антенная решетка на радиальном волноводе по п. 1, отличающаяся тем, что печатные низкодобротные патчи имеют форму правильного шестиугольника, а связь низкодобротных патчей с волноводом осуществляется коаксиальными зондами, погруженными в радиальный волновод.
3. Антенная решетка на радиальном волноводе по п. 1, отличающаяся тем, что согласующая система состоит из коаксиальных штырей, расположенных от внешнего края радиального волновода на расстоянии, равном четверти длины волны излучаемого электромагнитного сигнала, и каждый нагружен на согласующий резистор.
