двухполяризационная вибраторная антенная решетка высокой заводской готовности метрового диапазона с широкоугольным сканированием и способ ее настройки

Формула изобретения

1. Двухполяризационная вибраторная антенная решетка высокой заводской готовности метрового диапазона с широкоугольным сканированием, содержащая опору, на которой монтируются и гальванически соединяются в квадратное, либо прямоугольное полотно проводящими пластинами антенные модули, состоящие из вибраторов с ортогонально расположенными плечами (крест-вибраторов), закрепленных на стойках высотой h, размещенных в полотне по треугольной сетке над проводящим сетчатым экраном, который соединен с проводящими пластинами, закрепленными по периметру модуля, отличающаяся тем, что опора выполнена в виде несущих, подмодульных ферм, на которых крепятся одинаковые антенные модули заводского изготовления, представляющие собой решетки из крест-вибраторов с наклонными плечами под углом 45° к плоскости экрана, размещенных по треугольной сетке в углах равнобедренного треугольника с расстояниями по координатным осям между столбцами крест-вибраторов dx=0,45 o и между строками dy=0,32 o, при этом типоразмер крест-вибраторов (размеры плеч и высота стоек) унифицирован при настройке на оптимальное согласование в секторе сканирования с максимальным значением коэффициента стоячей волны (КСВ) не превышающем 2,5 и соответствует длине плеч для горизонтально-поляризованного вибратора равной L _гор.=0,463 o, а для вертикально-поляризованного вибратора равной L _верт.=0,452 о, при одинаковой высоте их стоек, равной h=0,226 o, где о - средняя длина волны рабочего диапазона частот.

2. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что плечи крест-вибратора и его стойки изготовлены из стальных труб, соединенных с помощью сварки.

3. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в запитывающей стойке крест-вибратора проложен фазостабильный кабель РК-50-17-51, а область возбуждения загерметизирована компаундом с диэлектрической постоянной 3,0.

4. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в конструкции модулей и подмодульных ферм имеются отверстия и болты для крепления модулей к фермам и монтажа без юстировки антенны в целом на объекте, расположение которых точно установлено при контрольной сборке на заводе - изготовителе.

5. Способ настройки двухполяризационной, вибраторной антенной решетки (АР) высокой заводской готовности метрового диапазона с широкоугольным сканированием, заключающийся в том, что в соответствии с заданными характеристиками АР, рассчитывается взаимное расположение крест-вибраторов в решетке и предварительные их размеры и геометрия, которые затем уточняются для получения наилучшего согласования в рабочей полосе частот и заданном секторе углов, отличающийся тем, что создается экспериментальный фрагмент вибраторной решетки, состоящий из 37 пронумерованных крест-вибраторов (с номерами i=1, ..., 37) с регулируемыми размерами в пределах ±5%, расположенными в виде 3 колец вокруг центрального крест-вибратора с номером «п», который возбуждается последовательно на трех частотах (двух граничных и центральной) рабочей полосы, с одновременным измерением элементов матриц рассеяния остальных, нагруженных на согласованную нагрузку крест-вибраторов относительно возбужденного центрального и расчетом коэффициента отражения и действующего КСВ на входе крест-вибратора под номером «n» по формулам:

где ;

Sni - измеренные элементы n-й строки квадратной матрицы рассеяния фрагмента решетки;

- длина волны;

x_i, y _i - координаты излучателя с номером «i»;

x _n, y_n - координаты возбужденного центрального крест-вибратора с номером «n»;

_х, _у - углы между направлением максимума диаграммы направленности и осями x, у прямоугольной системы координат, расположенной в плоскости экрана решетки;

при этом на каждом шаге исследования применяют настройку центрального крест-вибратора изменением его параметров (размеров плеч и высоты стоек) для получения наилучшего КСВ, после получения которого, размеры остальных вибраторов выставляются идентичными центральному и производится аналогичные операции подстройки центрального вибратора до получения оптимального типоразмера крест-вибратора на необходимый КСВ в секторе углов и диапазоне частот всей антенной решетки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при создании вибраторных, фазированных или цифровых антенных решеток больших габаритов (десятки и сотни метров) для приема/передачи сигналов в метровом диапазоне частот различной поляризации в широком секторе углов.

Сложностью проектирования широкоугольных, вибраторных фазированных антенных решеток (ФАР) больших размеров является определение точных параметров (размеров плеч, высоты, геометрии) вибраторов и их взаимного положения в полотне антенны для обеспечения высокого согласования (КСВ<2) излучателей в составе решетки при работе в широком секторе углов (до 120°) в связи с увеличением их взаимной связи и взаимного влияния из-за уменьшения шага их расположения в полотне антенны. Настройка данных ФАР, имеющих более тысячи излучателей, является самым трудоемким, длительным и дорогим процессом. Ввод в эксплуатацию таких крупногабаритных ФАР осуществляется в сроки 5-7 лет. Кроме того, параметры больших ФАР зависят от внешних эксплуатационных факторов, что предполагает использование радиопрозрачного укрытия (РПУ), создание и обслуживание системы микроклимата, что значительно увеличивает стоимость антенны. В связи с этим возникла необходимость в создании антенной решетки высокой заводской готовности (АР ВЗГ), когда в условиях завода-изготовителя изготавливаются и тестируются отдельные фрагменты ФАР - антенные модули, которые потом монтируются на объекте эксплуатации без электрических проверок, что на порядок сократит стоимость и сроки создания таких ФАР.

Известны фазированные антенные решетки больших размеров, работающие в широком секторе. Например, ФАР для военно-воздушного траекторного радиолокатора с сектором обзора ±45° («Теория и анализ фазированных антенных решеток». Н.Амитей, В.Галиндо, Ч.By, Москва, Издательство «Мир», 1974 г.) и приемная ФАР метрового диапазона радиолокационной станции (РЛС) «Дарьял» (Радио, 2005 г., №1, с.5-6) размером (100×100) метров в метровом диапазоне с сектором однолучевого качания луча порядка ±45°, выбранная в качестве прототипа. Обе рассматриваемые ФАР являются частью здания (передней стенкой), за которой расположена аппаратура РЛС.

Недостатками данных крупногабаритных ФАР являются большой срок строительства, наладки и введения в эксплуатацию (до 10 лет), большая стоимость и трудоемкость работ, и они не обеспечивают необходимое широкоугольное сканирование в секторе 120°. Создание подобных антенн требует капитального строительства здания, стоимость которого составляет значительную часть стоимости РЛС. Значительно удлиняется срок создания антенн и РЛС, поскольку они взаимосвязаны.

В прототипе ФАР состоит из модулей, соединенных в общее полотно, представляющих собой конструкцию решетки из 32 излучателей в виде двух ортогонально расположенных вибраторов с горизонтальными плечами. Возбуждение вибратора осуществляется через «активную» стойку, представляющую собой коаксиальную линию. Центральный проводник линии протачивается из латунного прутка. Стойки и плечи вибратора изготавливаются из отрезков латунных труб.

Задачами данного изобретения являются:

- расширение сектора сканирования до ±60°;

- согласование полностью собранной АР во всем секторе обзора и заданной полосе частот на КСВ 2.0÷2,5 в каждом вибраторе;

- сокращение времени настройки АР для приема/передачи сигналов различной поляризации в заданном диапазоне частот и секторе сканирования ±60;

- создание АР высокой заводской готовности с меньшей стоимостью, с высокой технологичностью заводского изготовления, сборки и наладки для сокращения сроков введения в эксплуатацию;

- обеспечение работоспособности на открытом воздухе.

Данное изобретение решает все поставленные задачи. Полотно АР состоит из антенных модулей (фрагментов АР), полностью изготовленных и настроенных на оптимальное согласование в условиях широкоугольного сканирования на заводе-изготовителе, конструкция которых выполнена из вибраторов единого, унифицированного для серийного производства типоразмера. При этом точные параметры вибратора, шаг и конфигурация решетки модуля устанавливаются в процессе настройки, исходя из заданных требований к АР. Для обеспечения полной заводской готовности к монтажу антенны на объекте в короткие сроки на заводе-изготовителе производится контрольная сборка (компоновка) полотна АР.

Техническими результатами являются:

- расширение сектора сканирования до ±60°;

- согласование полностью собранной антенны во всем секторе обзора и заданной полосе частот на КСВ 2.0÷2,5 в каждом излучателе;

- уменьшение сроков настройки антенны.

Сущность изобретения и достижение данных технических результатов состоит в том, что конструкция двухполяризационной, вибраторной антенной решетки высокой заводской готовности с широкоугольным сканированием состоит из несущих подмодульных ферм, на которых крепятся и гальванически соединяются в квадратное либо прямоугольное полотно электропроводящими пластинами одинаковые антенные модули заводского изготовления, представляющие собой решетки из вибраторов с согласованными параметрами, с ортогонально расположенными плечами (крест-вибраторы), наклоненными под углом 45° к плоскости экрана, единого унифицированного типоразмера, с длиной плеч горизонтально-поляризованного вибратора Lгор.=0,463 о и вертикально-поляризованного вибратора Lверт=0,452 о, при одинаковой высоте h=0,226 o) их расположения над проводящим сетчатым экраном, гальванически соединенным с электропроводящими пластинами, закрепленными по периметру модуля, при этом крест-вибраторы размещены в полотне антенны по треугольной сетке в виде равнобедренных треугольников, в углах которых расположены вибраторы с расстояниями по координатным осям между их столбцами dx=0,45 o и между их строками dy=0,32 o.

Расширение сектора однолучевого сканирования до ±60° обеспечивается выбором сетки размещения крест-вибраторов в углах равнобедренных треугольников с расстояниями по координатным осям между столбцами крест-вибраторов dx=0,45 о и между строками dy=0,32 о, а также наклоном плеч вибратора под углом в 45° к плоскости экрана.

Согласование полностью собранной антенны во всем секторе обзора и заданной полосе частот на КСВ 2.0÷2,5 в каждом вибраторе обеспечивается подбором параметров одиночного вибратора путем изменения размеров плеч и высоты их расположения над экраном (высоты стоек) при настройке экспериментального модуля.

Задача сокращения времени настройки АР для приема/передачи сигналов различной поляризации в заданном диапазоне частот и секторе сканирования ±60° является самой сложной задачей.

Существуют программы расчета характеристик ФАР с учетом взаимодействия излучателей по матрицам рассеяния, которые позволяют по заданным требованиям к ФАР рассчитать его согласование, например (В.С.Филиппов, С.А.Павлов, Изв. вузов MB и ССО СССР, Радиоэлектроника (Москва), 1984, №2, с.71-74).

Но данный метод не обладает достаточной строгостью электродинамического анализа на наилучшее согласование в широком телесном угле и не позволяет с точностью определить оптимальные размеры вибраторов с учетом их конструктивных особенностей, а также специфики конструкции больших ФАР. Поэтому возникает необходимость в корректировке и подстройке полностью изготовленной ФАР. Это очень трудоемко, не технологично и требует много времени на окончательную настройку ФАР и ее введение в эксплуатацию.

Для сокращения времени настройки предложен способ, позволяющий сократить его сроки на порядок. В предлагаемой антенне настройка антенной решетки ведется экспериментально-расчетным способом на экспериментальном фрагменте АР без фазовращателей, что сокращает стоимость, состоящем из крест-вибраторов, предварительно рассчитанных с регулируемыми размерами плеч и высоты стоек в пределах ±5%, изменяя которые при ее настройке на заданные характеристики АР, определяют параметры одиночного крест-вибратора. Нами выбран фрагмент антенны из трех колец окружения центрального крест-вибратора. При треугольной сетке расположения крест-вибраторов на полотне их число составляет N=37 штук. Измерялись элементы строки матрицы рассеяния (коэффициенты взаимной связи) фрагмента АР относительно возбужденного центрального крест-вибратора под номером n. Рассчитывался коэффициент отражения на входе центрального крест-вибратора под номером n по формуле:

где ;

S_ni - измеренные элементы n-й строки квадратной матрицы рассеяния;

x _i, у_i - координаты крест-вибраторв с номером i;

x_n, y _n - координаты возбужденного центрального крест-вибратора с номером n;

- длина волны;

_x> _y - углы между направлением максимума диаграммы направленности и осями х, у прямоугольной системы координат, расположенной в плоскости экрана решетки. Действующий КСВ на входе крест-вибратора n определялся по формуле:

Если полученный КСВ не соответствует требуемому, то изменив размеры вибраторов фрагмента АР, вновь проводят измерения и расчет коэффициента отражения по формуле (1). Достаточно двух-трех итераций измерения, чтобы достичь требуемого значения согласования антенны в секторе углов ±60° и рабочем диапазоне частот.

Такой способ дает точность определения согласования не хуже 10%. Настроенный в решетке крест-вибратор извлекается из антенны, обмеряется в свободном пространстве, после чего на завод-изготовитель передаются чертежи и технические условия (ТУ) на данный крест-вибратор. Изготовленные крест-вибраторы устанавливаются в антенные модули.

Задача уменьшения стоимости и сокращения сроков введения в эксплуатацию АР по сравнению с прототипом решается за счет значительного уменьшения трудоемкости создания и настройки всей АР вследствие того, что нет необходимости в постройке здания для монтажа полотна антенны, а используются несущие фермы, на которых крепятся настроенные антенные модули заводского изготовления, которые на заводе проходят контрольную сборку для юстировки всего полотна и определения точных отверстий для их соединения на объекте монтажа. Кроме того, для изготовления вибраторов вместо латуни используется более дешевая сталь.

Задача работоспособности на открытом воздухе решается за счет конструкции вибратора, его запитки и соединения его со стойками. Вибратор изготавливается из стальных труб. Плечи вибратора соединяются со стойками с помощью сварки. В запитывающей стойке вибратора проложен фазостабильный кабель РК50-17-51с, который работает на открытом воздухе. Для защиты вибратора от атмосферных воздействий используется токопроводящее покрытие ZINGA, а поверхность стоек и плеч вибратора окрашивается органосиликатной композицией ОС-12-03. Область возбуждения вибратора загерметизирована путем заливки компаунда с диэлектрической постоянной 3,0. Влияние компаунда на параметры вибратора компенсируется изменением размера его плеч и расстояния до экрана.

Для работы АР в режиме круговой поляризации либо на двух независимых ортогональных линейных поляризациях используются вибраторы с ортогонально расположенными плечами (крест-вибраторы). Расположение крест-вибраторов в углах равнобедренного треугольника создает неодинаковые условия взаимосвязи для вибраторов горизонтальной и вертикальной поляризаций. В результате оптимальной настройки крест-вибратора, при одинаковой высоте расположения от экрана антенны вибраторов горизонтальной и вертикальной поляризаций, размер их плеч получается разным и равен Lверт.=0,452 о для вертикально-поляризованного вибратора и Lгориз.=0,463 о для горизонтально-поляризованного вибратора.

Сущность изобретения раскрывается чертежами, где

на фиг.1 изображена структурная схема построения заявляемой антенной решетки высокой заводской готовности.

На фиг.2 представлена схема расположения вибраторов в модуле.

На фиг.3 изображена конструкция вибратора.

На фиг.4 приведены графики согласования антенной решетки.

Как видно из представленной на фиг.1 схемы построения заявляемой антенной решетки, она состоит из подмодульных ферм 1 и антенных модулей - фрагментов АР (размером 13,5×2,5 метра) 2, изготовленных на заводе, которые гальванически соединяются между собой проводящими пластинами 3 для образования общего полотна антенны. Для соблюдения точности монтажа модулей в полотно антенны на заводе-изготовителе производят их контрольную сборку следующим образом:

- В стапель монтируются три модуля. Производится выверка по углу и плоскости. Сверлятся точные отверстия и осуществляются точные болтовые крепления. Первый из трех модулей снимается, а к третьему пристыковывается новый модуль. Второй становится первым, третий - вторым. Вновь проводится контрольная сборка трех модулей. Таким образом происходит контрольная сборка последовательно всех модулей антенны.

- Подмодульные фермы проходят такую же контрольную сборку.

- После установки излучателей антенные модули упаковываются и отправляются на объект монтажа.

- Подмодульные фермы монтируются на заранее подготовленный фундамент, не связанный со зданием.

- На объекте монтажа модули с подмодульными фермами собираются путем соединения между собой по точным отверстиям.

Сборка антенны занимает не более 2-х недель по сравнению со многими месяцами, необходимыми для антенны РЛС "Дарьял", т.е. ускоряется в 20-30 раз.

На фиг.2 представлен фрагмент полотна АР, антенный модуль 2 с треугольной сеткой расположения вибраторов 4 над сетчатым экраном 5 в виде равнобедренных треугольников с равными сторонами dx=0,45 о и основанием 2dy=0,32×2 о.

На фиг.3 изображена конструкция вибратора 4, его установка и запитка. Конструкция крест-вибратора выполнена из стальных труб и состоит из ортогонально расположенных горизонтально поляризованных 6 и вертикально поляризованных 7 плеч вибратора длиной Lгор.=0,463 о и Lверт.=0,452 o, закрепленных на стойках 8, 9 одинаковой высоты, равной h=0,226 o, под углом 45° к ним при помощи сварки и установленных на экране с помощью фланца 13. В запитывающей стойке 8 проложен фазостабильный кабель РК50-17-51c 10. Область возбуждения вибратора 11 загерметизирована путем заливки компаунда с диэлектрической постоянной 3,0 и закрыта диэлектрической крышкой 12.

На фиг.4 приведены графики результата согласования антенной решетки в секторе углов ±60° от нормали к плоскости антенны, полученные при настройке фрагмента антенной решетки.

Создание антенны в условиях завода-изготовителя из идентичных модулей предложенной конструкции, полностью настроенных на согласование в широком телесном угле (120°) и заданном диапазоне частот, а также отказ от строительства и юстировки всего антенного полотна путем замены на контрольную сборку и стыковку модулей и подмодульных ферм в условиях завода-изготовителя с последующей сборкой на объекте по контрольным отверстиям и точным болтам позволяют решить все поставленные задачи, в том числе особо важные - уменьшение на порядок стоимости и сроков создания и введения в эксплуатацию данной антенны по сравнению с существующими антенными решетками.