Плоская щелевая антенная решетка с гребенчатой структурой
Полезная модель относится к радиотехнике, технике СВЧ, к антенно-фидерным устройствам, а более конкретно к плоским щелевым антенным решеткам. Техническим результатом является создание антенной решетки, совместимой с современным радиоэлектронным оборудованием в микроэлектронном исполнении, имеющую коэффициент полезного действия 
0,8. Сущность полезной модели состоит в том, что использовано новое конструктивное решение в виде гребенчатой структуры с прямоугольными отверстиями, совпадающими с широкими щелями-окнами, расположенными над зондами запитывающей схемы. Каждая щель представляет открытый конец волновода, коаксиального волноводного перехода, запитанного отрезком полосковой линии. Расположение этих щелей на расстоянии в «E» плоскости от 0,5÷0,8
0, не позволяет получить хорошее согласование со свободным пространством. При использовании гребенчатой структуры, которая представляет «E» - секториальный рупор, согласование открытого конца волновода со свободным пространством значительно улучшается, также улучшается амплитудное распределение в раскрыве антенны, что приводит к уменьшению КСВН антенной решетки, уменьшению боковых и дифракционных лепестков, увеличению эффективности антенны >0,8 и коэффициента усиления антенной решетки.
Полезная модель относится к радиотехнике, технике СВЧ, к антенно-фидерным устройствам, а более конкретно к плоским щелевым антенным решеткам.
Известны плоские антенные решетки в печатном исполнении (Обзоры. Выпуск 7(39) «Радиоэлектроника за рубежом», «Плоские антенны для систем непосредственного телевизионного вещания», М., 1989). В печатном исполнении выполняются не только излучающие элементы, но и линии запитки и схемы формирования сигналов, например АР на микрополосковых коленчатых линиях. Эти антенны очень технологичны, обладают малой массой и толщиной, простотой конструкции.
Недостатком таких антенн, ограничивающим их применение в антенных решетках, являются большие потери в полосковых линиях.
При размерах апертуры D=10÷150 в настоящее время не удается разработать антенную решетку с КПД 0,5. Значительно меньшими потерями обладают щелевые антенные решетки на основе волноводных элементов (Обзоры. Выпуск 2(34) «Радиоэлектроника за рубежом», «Плоские волноводно-щелевые антенные решетки», М, 1989).
Антенное полотно с щелевыми излучателями спаивается с остальной конструкцией, в которой после сборки образуется схема запитки с волноводными каналами, волноводными изгибами и переходами и волноводными суммирующими тройниками. Достоинством такой антенны являются малые потери, высокий КПД. Однако недостатками являются - большая трудоемкость в изготовлении, не технологичность конструкции, невозможность контроля пайки между слоями. Наличие даже незначительного непропаянного участка между металлической платой с щелями и стенками волноводов делает такую антенну неработоспособной.
Известны плоские волноводно-щелевые антенные решетки, в которых за счет конструктивного изменения волноводно-щелевых излучателей, выполненных на печатной плате на новых типах линии передачи - полосковых волноводах (Патент RU 
2024129, МПК H01Q 13/10, опубл. 30.11.1994; Патент RU 2276437, МПК H01G 21/24, H01P 3/12, опубл. 10.05.2006; Патент VS 4761653, МПК H01Q 1/38, H01Q 25/00, H01Q 21/06, опубл. 02.08.1988; Патент VS 4833482, МПК H01Q 21/00, H01Q 21/06, H01Q 21/24, опубл. 23.05.1989; Патент EP 0434268, МПК H01Q 21/00, H01Q 21/06, H01Q 9/04.
При изготовлении антенного полотна конструкция антенны позволяет отказаться от большого объема механических работ, заменив их методами печатной технологии. Такая антенна проста и надежна, обладает малой массой и толщиной. Эффективность такой антенны очень высокая, КПД 80% при D=10÷150, что обусловлено тем, что потери в полосковых волноводах платы в 3-4 раза меньше, чем в полосковых линиях, а запитка платы осуществляется полыми волноводами.
Такая конструкция, после монтажа платы, с расположенными на ней волноводно-щелевыми излучателями на полосковых линиях, с основанием, в котором выполнены прямоугольные пазы, позволяет получить полые прямоугольные волноводы схемы запитки. Все волноводы схемы запитки, «Н» тройники фидерного тракта, переходы лежат в одной плоскости, что существенно уменьшает толщину антенной решетки.
Несмотря на целый ряд преимуществ антенная решетка на полосковых волноводах имеет существенный недостаток - для обеспечения работы антенной решетки, формирования суммирующего антенно-фидерного тракта необходима пайка платы с волноводно-щелевыми излучателями на полосковых волноводах с основанием, в котором выполнены прямоугольные пазы.
Наиболее близкой по технической сущности является антенная решетка, выполненная на базе широких щелей расположенных в металлической пластине, запитанных отрезками полосковых линий (зондами), соединенных полосковыми линиями и тройниками на полосковых линиях в схему суммирующего фидерного тракта (Обзоры. Выпуск 7(39) «Радиоэлектроника за рубежом», «Плоские антенны для систем непосредственного телевизионного вещания», М., 1989 г., стр.3, 4). Плата с зондами и схемой суммирующего тракта на полосковых линиях расположена над металлизированным экраном на расстоянии 0/4 от его поверхности. Расстояние между щелями составляет одну длину волны 0 в плоскости «H» и (0,5÷0,80) в плоскости «E». Такая антенная решетка имеет технологию изготовления исключающую пайку, простую конструкцию, легкость изготовления, что способствует массовому производству. Однако расположение излучающих щелей на расстоянии (0,5÷0,80) в плоскости «E» не позволяет получить в этой плоскости равноамплитудное распределение поля (фиг.2), что, в свою очередь, не позволяет получить коэффициент использования площади раскрыва антенны (КИП) 0,7.
Предлагаемая полезная модель решает задачу повышения коэффициента усиления, эффективности антенны и улучшения согласования антенны со свободным пространством.
Раскрытие полезной модели плоской волноводно-щелевой антенной решетки, в которой поставленная цель достигается тем, что за счет конструктивного изменения и введения дополнительной гребенчатой структуры в раскрыве антенной решетки происходит выравнивание амплитудного распределения поля в плоскости «E» и улучшение согласования излучающих щелей со свободным пространством.
В результате этого происходит значительное выравнивание амплитудного распределения поля в плоскости «E», увеличение КИП, согласования щелей со свободным пространством, и, как следствие, увеличение эффективности (КПД) антенной решетки. Кроме того, возможно расположение окон-щелей (1) в плоскости «E» на расстоянии d=½0, что вдвое уменьшает количество щелей и значительно упрощает запитку. При этом сохраняется простота конструкции антенной решетки, отсутствие пайки, высокая технологичность изготовления, повторяемость размеров и параметров антенной решетки.
Предлагаемое техническое решение имеет существенные признаки, касающиеся конструкции антенной решетки - наличие дополнительной гребенчатой структуры, расположенной на внешней, излучающей поверхности этой антенной решетки.
На чертежах фиг.1 «Плоская щелевая антенная решетка с гребенчатой структурой» (поперечное сечение) и фиг.2 «Плоская щелевая антенная решетка с гребенчатой структурой» (вид сверху) представлена плоская щелевая антенная решетка с гребенчатой структурой (ПЩАР с ГС). Она состоит из щелей (1), расположенных в металлической пластине (2) на расстояниях 0 в плоскости «H» и 0,8÷1,20 в плоскости «E», где 0 - длина волны в свободном пространстве на средней частоте рабочего диапазона. Щели(1) возбуждаются отрезками полосковых линий (3) антенно-фидерного тракта, образующего суммирующую схему запитки (4), расположенную между металлической пластиной (2) и экранирующей пластиной (7), в которой под щелями (1) с размерами, соответствующими размерам этих щелей выполнены волноводные колодцы (8), так, что дно этих колодцев (9) находится на расстоянии 0/4 от отрезков полосковых линий (3). Отрезок полосковой линии (3) совместно с волноводным колодцем (8) с дном волноводного колодца (9) и щелью (1) образует коаксиально-волноводный переход. Над верхней излучающей поверхностью волноводно-щелевой антенной решетки - металлической пластиной (2) со щелями (1) расположена металлическая гребенчатая структура (5) с высотой гребенки H=(0,3÷0,6)0 и с окнами (6), совпадающими со щелями (1).
На чертеже фиг.3 представлено амплитудное распределение ПЩАР без гребенки. «Провалы» по амплитуде между щелями в «Е» плоскости доходят до 0,7 E/E max.
На чертеже фиг.4 представлено амплитудное распределение ПЩАР с гребенчатой структурой. При наличии «гребенки» амплитудное распределение в плоскости «E» выравнивается, E/E мах 0,9 в зонах между щелями. Происходит согласование волнового сопротивления щелей ПЩАР со свободным пространством и значительное увеличение эффективности антенны - КПД 0,8.
Волноводно-щелевая антенная решетка работает следующим образом.
Щели (1), расположенные в металлической пластине (2) на расстояниях 0 в плоскости «H» и (0,8÷1,2)0 в плоскости «E», запитываются отрезками полосковых линий (3), которые объединяются полосковыми линиями антенно-фидерного тракта (4) в суммирующую схему запитки. Расположенная над поверхностью раскрыва ПЩАР с ГС гребенчатая структура (5), в которой выполнены щели (6) совпадающие со щелями (1) в металлической пластине (2) и которая представляет «E» - секториальный рупор с высотой от поверхности металлической пластины H=(0,3÷0,6)0 и с раскрывом в плоскости «E» L=(0,8÷1,2)0. Введение гребенчатой структуры (5) значительно улучшает амплитудное распределение ПЩАР.
Плоская щелевая антенная решетка, выполненная в виде многослойной структуры, состоящей из размещенных одна над другой металлической пластины с расположенными в ней щелями, платы с расположенными на ней отрезками полосковых линий и суммирующей схемы запитки, и экранирующей пластины, в которой выполнены волноводные колодцы так, что дно этих колодцев находится на расстоянии 0/4 от зондов, отличающаяся тем, что, с целью увеличения коэффициента усиления щелевой антенной решетки и уменьшения коэффициента стоячей волны щелевой антенной решетки над ее излучающей поверхностью, вводится гребенчатая структура из проводящего материала с высотой гребенки Н=(0,3÷0,6)0, где 0 - длина волны в свободном пространстве, а между ребрами гребенки, расположенными на расстоянии (0,8÷1,2)0, выполнены окна, совпадающие со щелями во внешней поверхности щелевой антенной решетки, а ребра гребенчатой структуры являются стенками «Е» секториального рупора, значительно улучшающего согласование волноводно-щелевой антенной решетки со свободным пространством и увеличивающего эффективность и коэффициент усиления антенны.
РИСУНКИ
