Способ возбуждения широкополосной антенной решетки и широкополосная антенная решетка
Изобретение относятся к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может использоваться при проектировании антенных решеток для систем связи, локации и радиоэлектронной борьбы. Техническим результатом является обеспечение улучшения согласования (снижение КСВН - коэффициента стоячей волны по напряжению) и повышение коэффициента полезного действия (КПД) широкополосной антенной решетки (АР) в заданном рабочем диапазоне частот. Для этого в способе возбуждения широкополосной АР преобразуют информативный сигнал в электромагнитное поле с линейной поляризацией, разделяют электромагнитное поле по амплитуде на n частей по числу рупорных излучателей (РИ) АР, модулируют поле по пространственной амплитуде и фазе с учетом номера каждого элемента АР и его пространственного положения так, чтобы обеспечить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение. При этом после разделения поля по амплитуде на n частей дополнительно модулируют его по пространственной амплитуде и фазе в каждом РИ так, чтобы обеспечить постоянство входного сопротивления во всем рабочем диапазоне частот. Широкополосная АР содержит полосковую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены система возбуждения на n выходов и связанный с ней излучающий раскрыв, выполненный из n РИ, размещенных в нескольких уровнях. Каждый выход системы возбуждения плавно переходит в РИ решетки в Е и Н плоскости, причем каждый РИ образуется так, что волновое сопротивление в любом его сечении вдоль оптической оси АР остается постоянным, все РИ электрически замкнуты между собой, образуя единую пространственную апертуру АР. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретения относятся к области радиотехники, в частности к антенной технике и могут использоваться при проектировании антенных решеток для систем связи, локации и радиоэлектронной борьбы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу возбуждения широкополосной антенной решетки (прототипом) является способ возбуждения широкополосной антенной решетки (АР), описанный в патенте США N 4843403, МПК H 10 Q 13/00, 1989. В известном техническом решении: преобразуют информативный сигнал в электромагнитное поле с линейной поляризацией, например, на полосковой линии; разделяют полученное поле по амплитуде на n частей по числу рупорных излучателей в решетке; трансформируют скачком каждую составляющую электромагнитного поля так, что плоскость его поляризации поворачивается на девяносто градусов; модулируют каждую составляющую электромагнитного поля, полученную в результате трансформации по пространственной фазе так, чтобы получить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение. Известный способ имеет большие потери электромагнитного поля из-за необходимости его трансформации (скачком), а также не позволяет получить низкий уровень внутренних отражений электромагнитного поля во всем рабочем диапазоне частот в широкополосной АР. В качестве прототипа для заявляемой широкополосной антенной решетки выбрана широкополосная антенная решетка (см. патент РФ N 2052878, МПК H 01 Q 21/00 от 01.04.93), содержащая плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которой выполнены система возбуждения и связанный с ней излучающий раскрыв. Излучающий раскрыв образован из рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях. При этом каждый рупорный излучатель следующего уровня образован парой рупорных излучателей предыдущего уровня, смежные стенки которых пересекаются в точке, лежащей на оси симметрии рупорного излучателя следующего уровня на расстоянии больше половины длины волны до их наружных стенок, и имеет апертуру в два раза больше апертуры рупорного излучателя предыдущего уровня, причем рупорные излучатели нулевого уровня связаны с системой возбуждения и их количество четное, а количество рупорных излучателей в каждом из остальных уровней определено соотношением n = 2p-m, где n - число рупорных излучателей, p - число уровневых переходов, m - номер уровня. Известная широкополосная АР возбуждается в широкой полосе частот, однако она не позволяет получить низкий уровень внутреннего отражения электромагнитного поля во всем рабочем диапазоне частот и устранить потери электромагнитного поля, возникающие из-за необходимости дополнительной его трансформации в полосково-щелевых преобразователях. Сущность изобретений заключается в следующем. В предлагаемом способе, так же, как и в прототипе: преобразуют информативный сигнал в электромагнитное поле с линейной поляризацией; разделяют полученное поле по амплитуде на n частей, по числу рупорных излучателей в АР; модулируют электромагнитное поле по пространственной амплитуде и фазе с учетом номера каждого рупорного излучателя и его пространственного положения так, чтобы обеспечить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение. В отличие от прототипа в предлагаемом способе дополнительно модулируют электромагнитное поле в каждом рупорном излучателе по пространственной амплитуде и фазе так, чтобы обеспечить постоянство входного сопротивления во всем рабочем диапазоне частот, причем указанную операцию выполняют после разделения поля по амплитуде на n частей, а рабочий диапазон частот и геометрические параметры широкополосной АР определяют по формулам![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
bH1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
N2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/215.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/215.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
bE1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля E (E-плоскостью);
bH1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля H (H-плоскостью);
DE1 - линейные размеры апертуры первого рупорного излучателя АР в E-плоскости;
DH1 - линейные размеры апертуры первого рупорного излучателя АР в H-плоскости;
N - число рупорных излучателей антенной решетки в H-плоскости;
М - число рупорных излучателей антенной решетки в E-плоскости;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/37/375936.gif)
bE1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
bH1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
N2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/215.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/215.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
bE1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля E (E-плоскостью);
bH1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля H (H-плоскостью);
DE1 - линейные размеры апертуры первого рупорного излучателя АР в E-плоскости;
DH1 - линейные размеры апертуры первого рупорного излучателя АР в H-плоскости;
N - число рупорных излучателей антенной решетки в H-плоскости;
М - число рупорных излучателей антенной решетки в E-плоскости;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
bE1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
bH1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
Условие (1) показывает, что максимальный линейный размер первого элемента решетки должен быть больше половины минимальной длины волны, но в соответствии с (2) и (3) начальная база bE1 и bH1 не может превышать половины заданных линейных размеров апертуры элемента, поскольку в этом случае соседние элементы решетки должны отстоять друг от друга на некотором расстоянии, что не позволит обеспечить электрический контакт соседних элементов. Условие равенства в (2), (3) соответствует эквидистантной антенной решетке. Согласование АР на нижней рабочей частоте требует выполнения условия, при котором максимальный линейный размер АР больше половины максимальной длины волны рабочего диапазона частот. Математически настоящее условие может быть записано в виде (4) (см. фиг. 2). Отметим, что выполнение требований (1)-(4) никак не ограничивает его возможностей с точки зрения получения требуемой диаграммы направленности при заданном рабочем диапазоне частот. Таким образом, предлагаемый способ позволяет устранить основные недостатки прототипа и обеспечить высокоэффективное согласование АР во всем рабочем диапазоне частот. Для реализации предлагаемого способа необходимо выполнить следующие операции:
- преобразовать информативный сигнал в электромагнитное поле с линейной (вертикальной) поляризацией. В дальнейшем это поле преобразуют в поле излучения;
- разделить электромагнитное поле по амплитуде на n частей по числу рупорных излучателей в антенной решетке. Эта операция необходима для последующего синфазного возбуждения всех элементов решетки;
- промодулировать электромагнитное поле по пространственной фазе в каждом рупорном элементе так, чтобы обеспечить постоянство входного сопротивления во всем рабочем диапазоне частот. При этом параметры пространственной модуляции определяют из соотношений (1)-(4). Эта операция позволяет обеспечить согласование АР во всем рабочем диапазоне частот;
промодулировать полученное поле по пространственной амплитуде и фазе с учетом номера рупорного излучателя АР и его пространственного положения так, чтобы обеспечить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение. Данная операция реализуется во всех способах для получения необходимой диаграммы направленности АР. Например, в эквидистантной АР, использующей идентичные рупорные излучатели, модулирующая функция равна единице. В неэквидистантной АР - модулирующая функция более сложная. В отличие от прототипа, в заявляемом способе дополнительная модуляция по пространственной амплитуде и фазе направлена на обеспечение согласования АР во всем рабочем диапазоне частот, а модуляция так же, как в прототипе - на получение заданной диаграммы направленности. Широкополосные антенные решетки приведены на фиг. 3 и фиг. 4. На фиг. 3а показана четырехэлементная широкополосная антенная решетка, которая состоит из металлической пластины 6, диэлектрической пластины 7, на которую нанесена металлизация 8, диэлектрической вставки 9, на которую нанесена металлизация 10, и разъема 15. На фиг. 3б, показана форма металлизации 8 на диэлектрической пластине 7. Антенная решетка представляет собой четырехэлементную решетку и имеет N = 4 и M = 1. Она возбуждается через разъем 11 симметричной полосковой линией, образованной металлизацией 10, диэлектрической пластиной 7, металлизацией 8, диэлектрической вставкой 9 и металлической пластиной 6 на длине l1. При равных диэлектрических проницаемостях толщины диэлектрической пластины 6 и диэлектрической вставки 9 - равны. Геометрия металлической пластины 6 точно совпадает с геометрией диэлектрической пластины 7 (фиг. 3б) и образует с ней на длине l2 рупор в E-плоскости. Угол
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
16
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/215.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
АР работает следующим образом. Информативный сигнал на выходе разъема 11 в симметричной полосковой линии возбуждает электромагнитное поле с вертикальной поляризацией, которое в этой же линии разделяется на четыре равные части и поступает на вход рупорных излучателей АР 12, 13, 14 и 15, где оно преобразуется в поле излучения, суммируясь на выходе АР. На фиг. 4а приведена восьмиэлементная широкополосная АР, имеющая N = 4 и М = 2. В H-плоскости решетка представляет АР со смещенной на один элемент осью симметрии, возбуждаемую несимметричной полосковой линией. АР содержит (фиг. 4а) диэлектрическую пластину 16 с металлизацией 17, диэлектрическую пластину 18 с металлизацией 19, две металлические пластины 20, 21, две диэлектрические вставки 22, 23 и сумматор 24 с входным разъемом 25. На фиг. 4б показана форма металлизации 17, 19, выполненной на поверхности диэлектрических пластин 16 и 18. Причем, высота пластины 18 с металлизацией 19 равна h1 (верхний край пластины показан пунктирной линией 26), а высота пластины 16 с металлизацией 17 - равна h2. Таким образом, АР имеет две линейки 27 и 28 по четыре излучающих элемента в каждой (в H-плоскости), объединенные в два рупора в E-плоскости, образующих единую излучающую апертуру АР. Каждая линейка возбуждается несимметричной полосковой линией (через входной разъем 25 и сумматор 24), образованной на длине l1 металлической пластиной 20, диэлектрической вставкой 22 и металлизацией 19 (металлической пластиной 21, диэлектрической вставкой 23 и металлизацией 19). В каждой из полосковых линий входное поле разделяется по амплитуде на четыре равные части по числу возбуждаемых в каждой линейке рупорных излучателей. Рупорные излучатели являются продолжением полосковой линии и образуются металлизацией 17 (19) и металлической платиной 20 (21) так, что входное сопротивление каждого рупорного излучателя во все рабочем диапазоне частот остается постоянным. Для рассматриваемой АР определение параметров DH1, DE1, bH1 и bE1 показано на фиг. 4а, б, а соотношение (4) сводится к виду:
16
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/215.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/215.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
В качестве элементной базы для изготовления АР могут использоваться типовые конструкционные материалы, имеющие широкое промышленное распространение. Для изготовления металлических пластин применима медная лента. В качестве фольгированного диэлектрика применяют фольгированный текстолит, гетенакс и т. п. В качестве диэлектрических вставок могут использоваться пенопласты.
Формула изобретения
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
bE1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
bH1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
N2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/215.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/215.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
bE1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;
bH1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;
DE1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;
DH1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;
N - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;
М - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/37/375937.gif)
bE1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
bH1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
N2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/215.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/215.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
bE1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;
bH1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;
DE1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;
DH1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;
N - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;
М - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4