антенно-фидерное устройство с механическим сканированием диаграммы направленности

Формула изобретения

1. АНТЕННО-ФИДЕРНОЕ УСТРОЙСТВО С МЕХАНИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ, содержащее рефлектор, контррефлектор, сканирующее устройство, выполненное в виде отрезков прямоугольного волновода, и облучатель, подключенный к одному из концов первого отрезка прямоугольного волновода сканирующего устройства, отличающееся тем, что один из концов второго отрезка прямоугольного волновода сканирующего устройства выполнен с распирающимся внутренним сечением в виде пирамидального рупора, внутри которого размещен с зазором другой конец первого отрезка прямоугольного волновода, выполненный со скошенными с внешней стороны волновода стенками, при этом первый отрезок прямоугольного волновода выполнен с возможностью углового перемещения в E- и H-плоскостях относительно центра подвеса сканирующего устройства, который совмещен с центром плоскости торцевого сечения второго конца первого отрезка прямоугольного волновода и с центром поворота диаграммы направленности устройства, причем первый отрезок прямоугольного волновода жестко соединен с рефлектором и контррефлектором.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на внутренние поверхности пирамидального рупора нанесен диэлектрический материал, а на скосы стенок первого отрезка прямоугольного волновода поглощающий материал.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к антенной технике СВЧ-диапазона и может быть использовано при проектировании антенн РЛС с плавным механическим сканированием диаграммы направленности.

Известны по крайней мере три типа подвижных соединений, которые используются, в частности, в антеннах с механическим сканированием луча. Во-первых, это системы, преобразующие вращательное движение СВЧ-тракта в качание электромагнитного луча в двух взаимноперпендикулярных плоскостях. Во-вторых, для систем с качанием луча применяются также гибкие фидерные линии в виде коаксиальных линий, гибкие диэлектрические волноводы и универсальные шарнирные подвижные соединения.

С переходом к коротковолновой части сантиметрового диапазона и особенно к миллиметровым волнам присущие этим конструкциям недостатки возрастают настолько, что могут препятствовать использованию сочленений в антеннах. К таким недостаткам относятся сложность, громоздкость конструкции, узкополосность и вносимые потери СВЧ-энергии.

Прототипом изобретения является антенна, допускающая широкоугольное качание луча при обзоре пространства с помощью облучателя "органного" типа. Это устройство состоит из ряда неподвижных рупорных облучателей фазовые центры которых питаются через волноводы одинаковой длины. Открытые концы волноводов расположены по окружности и поочередно возбуждаются рупором.

Недостатком прототипа применительно к коротковолновой части СВ-диапазона являются большие размеры сканирующего устройства, а значит, и большое затенение апертуры антенны. Прототип позволяет осуществлять сканирование только в одной плоскости (например, в азимутальной). И, наконец, конструктивно довольно сложно осуществлять плотное и точное подсоединение подвижного рупора к открытым концам волноводного "органа". Кроме того, благодаря "органной" структуре прототипа осуществляемое им сканирование диаграммы направленности дискретно в пространстве.

Задача изобретения создание простой и компактной антенны, позволяющей плавно и быстро перемещать луч в пространстве, при этом должны быть сохранены или улучшены эксплуатационные характеристики антенного устройства (малый КСВН, большой коэффициент и усиления и низкий уровень боковых лепестков антенного устройства, малые потери в гибкой фидерной линии передачи).

Целью изобретения является достижение плавного перемещения диаграммы направленности луча в двумерном (по азимуту и углу места) секторе обзора антенны при достаточной конструктивной простоте и малых вносимых потерях СВЧ-энергии.

Цель достигается тем, что центр прокачки антенны совмещается с центром прокачки сканирующего устройства, которое выполнено в виде двух отрезков стандартного прямоугольного волновода, причем один неподвижный участок волновода имеет участок прямоугольного волновода, расширяющийся на конце в виде пирамидального рупора, другой подвижный отрезок представляет собой прямоугольный волновод со скошенными на конус с внешней стороны широкой и узкой стенками и с рупорным облучателем антенны на другом конце, подвижный отрезок со скошенными стенками входит в расширенную часть первого отрезка, образуя с последним зазор, величина которого определяется заданными углами сканирования, а центр прокачки сканирующего устройства совмещен с центром торцового сечения волновода со скошенными стенками, при этом подвижный отрезок волновода и облучатель жестко соединены с рефлектором и контррефлектором.

С целью уменьшения нагрузки на механизм сканирования рефлектор и контррефлектор неподвижны, а сканирование осуществляется за счет перемещения второго отрезка волновода с облучателем. Кроме того, с целью уменьшения излучения из зазора между отрезками высокочастотного тракта нанесен поглощающий материал.

Сущность изобретения состоит в том, что центр прокачки антенны совмещен с центром прокачки сканирующего устройства, а в сканирующем устройстве в рупор одного волновода введен с зазором конец со скошенными стенками другого отрезка прямоугольного волновода. Причем центр торцового сечения второго волновода совмещен с центром прокачки. Излучение через образовавшийся между ними зазор, определяющее потери в сочленении, зависит главным образом от высоты зазора между широкими стенками рупора и широкими скошенными сторонами второго волновода. Излучение носит резонансный характер, его можно сделать небольшим и мало меняющимся при поворотах второго отрезка волновода относительно первого. Увеличение излучения происходит при определенной высоте щели, когда высокочастотный тракт согласован со свободным пространством. Было установлено, что снижение излучения достигается при заданных углах поворота путем совмещения центра торца второго волновода с центром поворота (прокачки), а также таким подбором углов наклона стенок рупора и углов скоса стенок второго волновода, при котором высота указанного зазора мало изменяется при поворотах второго волновода в пределах заданных углов. Уменьшение потерь в рабочем диапазоне частот достигается сдвигом резонансной частоты излучения через зазор за пределы рабочих частот путем введения в зазор соответствующего диэлектрика. И, наконец, довольно эффективным средством является внесение дополнительного затухания в паразитное излучение путем нанесения поглощающего материала на элементы резонансной щели.

На чертеже схематически показано антенно-фидерное устройство с механическим сканированием. Оно выполнено из рефлектора 1 и контррефлектора 2. Сканирующее устройство с облучателем представляет собой сложное устройство, состоящее из двух отрезков волновода. Один отрезок волновода включает рупорный облучатель 3, участок 4 стандартного прямоугольного волновода, участок прямоугольного волновода со скошенными снаружи стенками 5, покрытыми слоем материала 6, поглощающего СВЧ-энергию. Другой отрезок волновода имеет расширяющуюся часть 7 (в виде рупора) и участок 8 стандартного прямоугольного волновода. Внутренние стенки расширенной части покрыты тонким слоем диэлектрика 9. При этом скошенная часть второго волновода 5 заходит в расширенную часть 7 первого волновода, а торец скошенного волновода совмещается с центром прокачки антенны. Второй отрезок волновода может поворачиваться в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно первого. Тип используемой антенны не обязательно ограничивается зеркальной, могут использоваться и более простые рупорные, линзовые и т.д.

Антенно-фидерное устройство работает следующим образом.

Волна основного типа Н₁₀ распространяющаяся в первом отрезке волновода в сторону рупора, в области раскрыва рупора преобразуется в волну со сферическим фронтом, в котором направление вектора электрического поля меняется по высоте расширенного волновода. На втором подвижном участке высокочастотного тракта, выполненного в виде стандартного прямоугольного волновода, направление вектора электрического поля по высоте волновода не меняется (основной тип волны Н₁₀ ). Если при прокачке в Е-плоскости одного участка относительно другого угол между векторами электрического поля неподвижного и подвижного участков изменяется, то изменяется продольная составляющая электрического поля, определяющая собственные потери. При прокачке в Н-плоскости угол между векторами электрического поля неподвижного и подвижного высокочастотных трактов не изменяется, т.е. и потери не должны существенно изменяться. Далее после сканирующего устройства сигнал попадает на облучатель, выполненный в виде рупора, контррефлектор и рефлектор, формирующие диаграммы направленности с нужными характеристиками.

Для экспериментальной проверки был изготовлен макет устройства из рефлектора, контррефлектора, облучателя и сканирующего устройства. Сканирующее устройство было размещено в кардановом подвесе, позволяющем осуществлять прокачку на 20^о. Предварительно был испытан в диапазоне частот 89-99 ГГц узел сканирующего устройства. Выяснено, что при плавном повороте подвижной части в Н-плоскости на 20^о потери увеличиваются с 1дБ до в исходном положении 1,1 дБ, а при плавном повороте в Е-плоскости на 20^о потери увеличиваются до 1,3 дБ. Экспериментальная проверка показала, что КСВН такого антенного устройства в полосе частот 89-99 ГГц при углах прокачки до 20^о не более 1,45. Характеристика излучения антенны при подключении к ней сканирующего устройства заметных изменений не претерпевает. Коэффициент усиления уменьшается при этом на величину потерь в сканирующем устройстве.

Прототип не может обеспечить плавного перемещения луча. Дискретный поворот луча можно осуществить только в одной плоскости. Потери в указанном диапазоне в сканирующем устройстве, состоящем из двух поворотов, и подвижного соединения можно оценить в 1,5-2 дБ. Кроме того, положительный эффект от внедрения предложенной конструкции антенны с механическим сканированием связан с упрощением антенного устройства, улучшением эксплуатационных характеристик и значительным расширением области применения сканирующих антенн.