Малогабаритный волноводный делитель-сумматор мощности фазированной антенной решетки

Авторы патента:

H01Q13 - Волноводные рупоры или раструбы; щелевые антенны; волноводно-щелевые антенны; эквивалентные конструкции, вызывающие излучение вдоль пути распространения направленной волны (многомодовые антенны H01Q 25/04)

H01P5/08 - для соединения разнотипных линий или устройств ( H01P 1/16,H01P 5/04 имеют преимущество; соединение однотипных линий различных размеров H01P 5/02)

Заявляемая полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в СВЧ технике в составе волноводных распределительных систем фазированных антенных решеток (ФАР), использующих моноимпульсный метод селекции целей при строчно-столбцевом методе управления фазовращателями и других системах связи.

Технический результат заключается в расширении сектора сканирования ФАР со строчно-столбцевым методом управления фазовращателями.

Малогабаритный волноводный делитель-сумматор мощности (ДСМ) фазированной антенной решетки (см. фиг.1) содержит восьмиканальный ДСМ, включающий четыре двухканальных ДСМ, выполненные в виде Е-тройников. В ДСМ дополнительно введены: второй, идентичный первому, восьмиканальный ДСМ, двойной Т-мост, поглощающая нагрузка и 180°-ный фазовращатель. Восьмиканальные ДСМ дополнительно содержат устройство для разветвления и деления мощности с четырьмя выходными каналами, выполненное в виде двух одинаковых волноводных Н-тройников с прямоугольным поперечным сечением волновода и неподвижно соединенных друг с другом по плоскости широких стенок таким образом, что оси симметрии главных каналов волноводных Н-тройников расположены в одной плоскости, перпендикулярной плоскости соединения широких стенок. Боковые каналы каждого из волноводных Н-тройников и соседние боковые каналы обоих волноводных Н-тройников отличаются между собой по длине на , где «а» - размер широкой стенки волновода. Входом устройства для разветвления и деления мощности является Е-плоскостной разветвитель, образованный главными каналами Н-тройников, а его выходами - боковые каналы Н-тройников, которые через 90°-ные уголки в плоскости Е соединены с главными каналами Е-тройников. Боковые каналы двойного Т-моста через другие 90°-ные уголки в плоскости Е соединены с соответствующими этим каналам Е - плоскостными разветвителями. Поглощающая нагрузка подключена к Е-каналу двойного Т-моста, Н-канал которого является входом ДСМ. 180°-ный фазовращатель установлен в соединении одного из восьмиканальных ДСМ с боковым каналом двойного Т-моста.

Известна антенна для малогабаритных радиолокационных станций обнаружения и сопровождения целей и ракет (см. описание к патенту США 6411025 НКИ 343/853, МКИ H01Q 3/26 заявл. 28.09.1999 г., опубл. 16.02.2002 г.), содержащая излучающую апертуру, выполненную в виде однотипных подрешеток, снабженных системой возбуждения в виде последовательных или параллельных СВЧ линий передачи, системой излучения, состоящей из дискретных излучателей со столообразными характеристиками излучения, расположенных в апертуре антенны эквидистантно на расстоянии нескольких длин волн и общей для всех подрешеток системой управления лучом, причем совокупно число выходов систем возбуждения равно числу управляемых фазовращателей, а число входов равно четырем, при этом каждый излучатель соединен с соответствующим электрически управляемым фазовращателем системы фазирования, соединенным с выходом одной из систем возбуждения, управляющие входы фазовращателей соединены с выходами системы управления лучом, а четыре входа систем возбуждения через систему двойных тройников и циркулятор, используемый для каналов передачи и суммы, соединены с приемниками и передатчиком РЛС.

Недостатком указанного технического решения является ограниченный сектор сканирования антенны, обусловленный тем, что ФАР содержит небольшое количество фазовращателей, размещенных с большим шагом между ними.

Известно, что задача расширения сектора сканирования может быть решена путем построения диаграммообразующей схемы с малым шагом выходных каналов (см. статью "Beamformer Architertures for Active Phased-Array radar Antennas@ IEEE Transection on Antennas and Propagation? vol. 47, 3, March 1999, Ashor K/Agrawal and Eric L. Holzman).

Из описания к патенту США 6421025 НКИ 343/853, МКИ H01Q 3/26, заявл. 22.09.1999 г., опубл. 16.02.2002 г. также известно, что получение малого шага выходных каналов можно обеспечить путем включения на выходы систем возбуждения делителей-сумматоров мощности (ДСМ).

Микрополосковые варианты исполнения ДСМ имеют ограничения по уровню мощности проходящего СВЧ сигнала и увеличивают уровень вносимых потерь на 5-6 дБ по сравнению с волноводными схемами. (см. журнал "Успехи современной радиоэлектроники" 2, 2010 г. стр.5-41, статью "Делители-сумматоры СВЧ-диапазона" авторы В.А.Печурин, А.С.Петров.).

Известен компактный волноводный ДСМ ФАР на N каналов (см. описание к патенту США 5196812 НКИ 333/113, МКИ Н01Р 5/18 заявл. 27.07.1991 г., опубл. 23.03.1993 г.). В этом техническом решении связь между каналами ДСМ осуществляется за счет использования направленных ответвителей, что приводит к появлению фазовых различий по выходным каналам, которые невозможно учесть в системе управления лучом при строчно-столбцевом способе управления фазовращателями.

Известен низкопрофильный волноводный ДСМ ФАР (см. описание к патенту США 36563398 НКИ 333/137, МКИ Н01Р 5/12 заявл. 23.12.1999 г., опубл. 13.05.2003 г..), спроектированный с использованием волноводных Е- и Н-тройников и уголков. Данный ДСМ не обеспечивает требуемого шага и геометрии расположения выходных каналов ДСМ, поскольку они определяются размером широкой стенки волновода.

Наиболее близким из известных аналогов (прототипом) является малогабаритный волноводный ДСМ ФАР (см. описание к патенту США 7584421 НКИ 343/776, МКИ H01Q 13/00. заявл. 10.03.2008 г., опубл. 21.07.2009 г.), содержащий семь волноводных тройников в Е-плоскости (Е-тройник), три из которых образуют ДСМ на четыре выходных канала, к выходам которого подключены главные каналы Е-тройников, боковые каналы которых через повороты на угол 90° в Н-плоскости образуют восемь выходных волноводных каналов ДСМ. Эта конструкция ДСМ позволяет создавать ДСМ на 16, 32, 64 и т.д. выходных канала путем соединения соответственно двух, четырех, восьми и т.д. восьмиканальных ДСМ.

Недостатками этой конструкции ДСМ при ее использовании в составе ФАР со строчно-столбцевым методом управления фазовращателями являются трудности с получением широкого сектора сканирования луча ФАР из-за прямоугольной сетки расположения выходных каналов ДСМ. Кроме того, отсутствие в ДСМ элементов, поглощающих энергию синфазных сигналов в каналах волноводных Е-тройников, приводит к ухудшению параметров ФАР за счет увеличения значения коэффициента стоячей волны (КСВН) и влияния на значение фазового сдвига элемента ФАР отраженных волн.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание ДСМ с гексагональной сеткой расположения выходных каналов, которая дает возможность уменьшить шаг между выходными каналами по сравнению с прототипом и соответственно расширить сектор сканирования в ФАР со строчно-столбцевым методом управления фазовращателями.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной, модели является расширение сектора сканирования ФАР со строчно-столбцевым методом управления фазовращателями, а также - увеличение коэффициента направленного действия антенны, увеличение коэффициента использования поверхности антенны и уменьшение продольного габарита антенны при сохранении существующей технологии изготовления магистральных и боковых линеек подрешеток

Кроме того, заявляемая полезная модель расширяет арсенал известных технических средств аналогичного назначения.

Технический результат достигается тем, что в малогабаритный волноводный делитель-сумматор мощности (ДСМ) фазированной антенной решетки, содержащий восьмиканальный ДСМ, включающий четыре двухканальных ДСМ, выполненные в виде Е-тройников, боковые каналы которых через 90°-ные уголки в плоскости Н образуют выходные каналы ДСМ, дополнительно введены: второй, идентичный первому, восьмиканальный ДСМ, двойной Т-мост, поглощающая нагрузка и 180°-ный фазовращатель. Восьмиканальные ДСМ дополнительно содержат устройство для разветвления и деления мощности с четырьмя выходными каналами, выполненное в виде двух одинаковых волноводных Н-тройников с прямоугольным поперечным сечением волновода и неподвижно соединенных друг с другом по плоскости широких стенок таким образом, что оси симметрии главных каналов волноводных Н-тройников расположены в одной плоскости, перпендикулярной плоскости соединения широких стенок, при этом боковые каналы каждого волноводного Н-тройника и соседние боковые каналы обоих Н-тройников отличаются между собой по длине на , где «а» - размер широкой стенки волновода.

Входом устройства для разветвления и деления мощности является Е-плоскостной разветвитель, образованный главными каналами Н-тройников а его выходами - боковые каналы Н-тройников, через 90°-ные уголки в плоскости Е соединенные с главными каналами Е-тройников. Боковые каналы двойного Т-моста через другие 90°-ные уголки в плоскости Е соединены с соответствующими этим каналам Е - плоскостными разветвителями, а поглощающая нагрузка подключена к Е-каналу двойного Т-моста, Н-канал которого является входом ДСМ. 180°-ный фазовращатель установлен в соединении одного из восьмиканальных ДСМ с боковым каналом двойного Т-моста.

180°-ный фазовращатель может быть выполнен в виде Н-тройника с замкнутым главным каналом.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где

на фиг.1 представлена структурная схема малогабаритного волноводного делителя-сумматора мощности (ДСМ) фазированной антенной решетки;

на фиг.2 показаны выходные каналы ДСМ и таблица фазовых поправок по выходным каналам ДСМ;

на фиг.3 представлен один из вариантов конструктивного выполнения восьмиканального ДСМ.

Предлагаемый малогабаритный волноводный делитель-сумматор мощности фазированной антенной решетки (см фиг.1) содержит два восьмиканальных ДСМ (1), двойной Т-мост (2), поглощающую нагрузку (3) и 180°-ный фазовращатель (4).

Каждый восьмиканальный ДСМ (1) включает в себя устройство для разветвления и деления мощности (5) с четырьмя выходными каналами (6) и четыре двухканальных ДСМ (7). Двухканальные ДСМ (7) выполнены в виде Е-тройников (8), (9), (10) и (11), боковые каналы которых через 90°-ные уголки в плоскости Н (12) образуют выходные каналы ДСМ (1) - a, b, c, d, e, f, g, h. (i, j, k, l, m, n, o, p) Главные каналы Е-тройников (8), (9), (10) и (11) соединены с выходными каналами (6) устройства для разветвления и деления мощности (5). Устройство для разветвления и деления мощности (5) с четырьмя выходными каналами выполнено в виде двух одинаковых волноводных Н-тройников (13) и (14) прямоугольного поперечного сечения с боковыми каналами (15) и (16), отличающимися между собой по длине , где «а» - размер широкой стенки волновода. Н-тройники (13) и (14) неподвижно соединены друг с другом по плоскости широких стенок таким образом, что оси симметрии их главных каналов (17) и (18) расположены в одной плоскости, перпендикулярной плоскости соединения широких стенок. Главные каналы (17) и (18) Н-тройников (13) и (14) образуют Е-плоскостной разветвитель (19), являющийся одновременно входом устройства для разветвления и деления мощности (5) с четырьмя выходными каналами и входом восьмиканального ДСМ (1). Соседние боковые каналы (15) и (16) волноводных Н-тройников (13) и (14) также отличаются между собой по длине . Все боковые каналы (15) и (16) через 90°-ные уголки в плоскости Е (20) соединены с главными каналами соответствующих им Е-тройников (8), (9), (10) и (11), являющимися одновременно и входами двухканальных ДСМ (7).

Е-плоскостные разветвители (19) двух восьмиканальных ДСМ (1) соединены с соответствующими им боковыми каналами двойного Т-моста (2) через два других 90°-ых уголка в плоскости Е (21). Поглощающая нагрузка (3) подключена к Е-каналу двойного Т-моста (2), Н-канал которого является входом малогабаритного волноводного делителя-сумматора мощности фазированной антенной решетки. 180°-ный фазовращатель (4) установлен в соединении одного из восьмиканальных ДСМ (1) с боковым каналом двойного Т-моста (2).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Энергия, поданная в Н-канал двойного Т-моста (2), синфазно делится поровну между его боковыми каналами. Противофазность сигналов в боковых каналах двойного Т-моста (4), возникающая при повороте боковых каналов в Е-плоскости на угол 90°, устраняется фиксированным 180°-ным фазовращателем (4). Синфазные сигналы поступают в Е-плоскостные разветвители (19), состоящие из главных каналов (17) и (18) волноводных Н-тройников (13) и (14), и делятся на две компоненты, равные по амплитуде и фазе. При распространении сигналов по боковым каналам (15) и (16) волноводных Н-тройников (13) и (14), происходит изменение фазы сигналов на ° за счет прохождения разного пути, определяемого разницей на в длине этих боковых каналов. При последующем прохождении через 90°-ные уголки в плоскости Е (20) фаза сигналов изменяется на 180°.

Следовательно к главным каналам Е-тройников (8) и (11) соответствующие сигналы подходят с фазой 0°, а к главным каналам Е-тройников (9) и (10) - с фазой (180°+°). При этом на выходе одного канала - «a» (i) Е-тройника (8) (см. фиг.2) фаза сигнала будет равна 0°, а на выходе его другого канала - «b» (j) будет равна 180°, то есть сигналы в боковых каналах тройника - противофазные. В Е-тройнике (9) на выходе канала - «с» (k) фаза сигнала будет равна (180°+°), а на выходе канала - «d» (1) будет равна (180°+°)+180°=360°+°, то есть равна °. Все то же самое произойдет в Е-тройниках (10) и (11), где на выходах каналов- «е» (m), «f» (n), «g» (о), «h» (р) фазы сигналов соответственно будут равны: °, (180°+°), 180°, °.

Распределение значения фазового сдвига сигналов по выходным каналам ДСМ представлено фиг.2.

Фазовое распределение сигналов на выходах ДСМ введением фазовых поправок по столбцам может быть скорректировано в системе управления лучом и предлагаемый ДСМ с синфазным распределением по каналам может быть использован в ФАР со строчно-столбцевым методом управления фазовращателями при условии группирования фазовращателей по значению начального фазового сдвига и фазовой активности.

На фиг.3 представлен один из вариантов конструктивного выполнения восьмиканального ДСМ (1), в котором соединение двух волноводных Н-тройников (13) и (14) (см. фиг.1) выполнено в виде скрепленных друг с другом металлических пластин с (22) по (26). В пластинах (23) и (25) сформированы главный и боковые каналы волноводных Н-тройников (13) и (14), а также - элементы настройки (27) и (28). 90°-ные уголки в плоскости Е (20) выполнены в виде вкладышей с (29) по (32), которые устанавливаются в боковые каналы волноводных Н-тройников.

Главные каналы Е-тройников выполнены в виде прямоугольных отверстий с (33) по (36) в пластинах (23) и (27), а их боковые каналы совместно с элементами настройки (27), (28) и 90°-ными уголками в плоскости Н (37) сформированы в пластинах (38) и (39).

Предлагаемое техническое решение позволяет получить гексагональную сетку расположения выходных каналов, что, в свою очередь, дает возможность уменьшить шаг между выходными каналами и соответственно расширить сектор сканирования ФАР со строчно-столбцевым методом управления фазовращателями, а также позволяет: уменьшить уровень боковых лепестков диаграммы направленности, увеличить коэффициент направленного действия антенны, увеличить коэффициент использования поверхности антенны и уменьшить продольные габариты антенны при сохранении существующей технологии изготовления магистральных и боковых линеек подрешеток

Заявленное устройство может быть технически реализовано по известным правилам из стандартных компонентов, выпускаемых промышленностью.

1. Малогабаритный волноводный делитель-сумматор мощности (ДСМ) фазированной антенной решетки, содержащий восьмиканальный ДСМ, включающий четыре двухканальных ДСМ, выполненных в виде Е-тройников, боковые каналы которых через 90°-е уголки в плоскости Н образуют выходные каналы ДСМ, отличающийся тем, что в него дополнительно введены: второй идентичный первому восьмиканальный ДСМ, двойной Т-мост, поглощающая нагрузка и 180°-й фазовращатель, при этом восьмиканальные ДСМ дополнительно содержат устройство для разветвления и деления мощности с четырьмя выходными каналами, выполненное в виде двух одинаковых волноводных Н-тройников с прямоугольным поперечным сечением волновода и неподвижно соединенных друг с другом по плоскости широких стенок таким образом, что оси симметрии главных каналов волноводных Н-тройников расположены в одной плоскости, перпендикулярной плоскости соединения широких стенок, причем боковые каналы каждого волноводного Н-тройника и соседние боковые каналы обоих Н-тройников отличаются между собой по длине на , где а - размер широкой стенки волновода, при этом входом устройства для разветвления и деления мощности является Е-плоскостной разветвитель, образованный главными каналами Н-тройников, а его выходами - боковые каналы Н-тройников, через 90°-е уголки в плоскости Е соединенные с главными каналами Е-тройников, причем боковые каналы двойного Т-моста через другие 90°-е уголки в плоскости Е соединены с соответствующими этим каналам Е-плоскостными разветвителями, поглощающая нагрузка подключена к Е-каналу двойного Т-моста, Н-канал которого является входом ДСМ, а 180°-й фазовращатель установлен в соединении одного из восьмиканальных ДСМ с боковым каналом двойного Т-моста.