АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для построения фазированных антенных решеток из состава антенных устройств систем радиосвязи и радиолокационных устройств.

Известна антенная решетка [1 - Патент РФ 2296400 от 2007 г.], выполненная в виде ряда вибраторных излучателей, размещенных с шагом, равным половине длины волны, на корпусе распределительной системы, выполненной на жесткой коаксиальной линии, отличающаяся тем, что к точкам ответвления распределительной системы на ближайшие к ее середине вибраторные излучатели подключены отрезки жесткой коаксиальной линии, образующие совместно с четвертьволновыми трансформаторами, соединяющими подключенный к середине распределительной системы суммарный вход с указанными вибраторными излучателями, кольцевой мост, к которому подключен разностный вход на расстоянии в одну четверть длины волны от одного из указанных вибраторных излучателей и в три четверти длины волны - от другого, а противофазное возбуждение половин линейной антенной решетки и, соответственно, формирование разностной диаграммы направленности обеспечивается разницей путей от этого разностного входа до точек подключения кольцевого моста к распределительной системе, составляющей половину длины волны.

Недостатком этой антенной решетки является отсутствие возможности изменения фазовых соотношений в цепи каждого излучателя.

Наиболее близкой по сущности к изобретению является антенна [2 - Патент РФ 2225663 от 2004 г.], взятая за прототип, включающая, по меньшей мере, один излучатель с питающим коаксиальным кабелем, имеющим внешний проводник и внутренний проводник, разъем для подключения приемно-передающей аппаратуры и отражатель, при этом излучатель содержит первый полуволновой дипольный вибратор и второй полуволновой дипольный вибратор, расстроенные один относительно другого по частоте и закрепленные на противоположных поверхностях диэлектрической подложки, выполненной из стеклотекстолита, первый полуволновой дипольный вибратор выполнен в виде двух плоских металлических элементов, имеющих одинаковые прямоугольные плечи, каждое из которых соединено сужающимся трапецеидальным участком со шлейфом разной для каждого элемента длины, определяемой из условия обеспечения согласования питающего кабеля, причем внешний проводник питающего кабеля подключен к тому из указанных элементов, который имеет длинный шлейф, а внутренний проводник указанного кабеля подключен к элементу с коротким шлейфом, второй полуволновой дипольный вибратор выполнен в виде двух металлических плоских элементов, образующих прямоугольные плечи, длина и ширина которых равна длине и ширине прямоугольных плеч первого полуволнового дипольного вибратора, причем прямоугольное плечо второго полуволнового дипольного вибратора, противоположное плоскому металлическому элементу с длинным шлейфом первого полуволнового дипольного вибратора, выполнено с нижним скосом, обращенным к короткой стороне другого прямоугольного плеча второго полуволнового дипольного вибратора, при этом толщина диэлектрической подложки выбрана из условия обеспечения емкостной связи между указанными вибраторами и одноименные плечи указанных вибраторов соединены металлическими перемычками, расположенными по длине плеч, для обеспечения индуктивной связи между указанными вибраторами.

Отражатель выполнен плоским, а один или более излучателей расположены перпендикулярно к нему, плоскости излучателей расположены вдоль продольной оси антенны.

Антенна снабжена сумматором-делителем, соединенным с разъемом для подключения приемно-передающей аппаратуры и каждым из питающих коаксиальных кабелей излучателей.

К недостаткам прототипа следует отнести:

- невозможность установки нескольких экземпляров рядом друг с другом для построения больших антенных устройств. Несущим основанием в прототипе является плоский отражатель, на котором закреплены излучатели, очевидно, что он не может обеспечить механической прочности конструкции при увеличении числа излучателей свыше некоторого значения. При построении антенного устройства, содержащего, например, сотню излучателей, необходима установка на общей несущей конструкции нескольких одинаковых антенных решеток с небольшим числом излучателей в каждой рядом друг с другом. Однако в конструкции прототипа не предусмотрены элементы, обеспечивающие стыковку нескольких одинаковых экземпляров и крепление к несущим конструкциям антенного устройства при построении антенного устройства с большим числом излучателей;

- все излучатели соединены с пассивным сумматором-делителем, в режиме приема разъем сумматора-делителя является выходом антенны, а фазовые соотношения при суммировании принимаемых сигналов являются фиксированными и определяются длиной отрезков соединительных кабелей (шлейфов). Аналогичная ситуация в режиме передачи, только входом антенны при этом является тот же самый разъем сумматора-делителя, который работает при этом как делитель сигнала. Это значительно суживает область применения прототипа. Так, прототип невозможно использовать в активных фазированных антенных решетках (АФАР) с регулировкой амплитудно-фазовых соотношений в каждом канале, то есть в цепи каждого излучателя. В последнее время все большее распространение приобретают АФАР с цифровым формированием диаграммы направленности (ДН), в которых сигналы с выходов излучателей преобразуются в цифровые отсчеты, амплитудно-фазовые соотношения в каждом канале регулируются путем цифровой обработки, суммирование сигналов с выходов каналов обработки осуществляется в цифровом сумматоре. Таким образом, прототип невозможно использовать в современных антенных решетках;

- построение излучателей в виде элементов, вытравленных на стеклотекстолите, расположенных перпендикулярно отражателю антенной решетки, излучатели соединены между собой узкими металлическими полосками, что не обеспечивает механической жесткости антенны, поэтому его невозможно использовать в условиях тряски, например, в качестве антенны на подвижном носителе.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение возможности построения на его основе антенных устройств с большим числом излучателей путем установки нескольких экземпляров антенной решетки рядом друг с другом, расширение области применения за счет обеспечения независимости регулировки амплитудно-фазовых соотношений в цепи каждого излучателя и повышение вибропрочности конструкции.

Для достижения указанной цели предлагается антенная решетка, включающая отражатель и несколько излучателей, каждый из которых содержит симметричный вибратор, выполненный в виде двух плоских металлических элементов, имеющих одинаковые прямоугольные плечи, внешний и внутренний проводник для подключения симметричного вибратора к внешней линии передачи сигнала, при этом излучатели расположены перпендикулярно к плоскому металлическому отражателю, плоскости излучателей расположены вдоль продольной оси антенной решетки.

Согласно изобретению проводники подключения вибратора выполнены в виде плоской воздушной трехпроводной линии передачи, содержащей два внешних проводника, на которых крепятся плечи симметричного вибратора и расположенный между ними внутренний проводник, излучатели расположены на отражателе в одну линейку из восьми излучателей, отражатель имеет восемь отверстий, центры которых совпадают с проекциями центров излучателей на отражатель, предназначенных для соединения внутреннего проводника каждого вибратора излучателя с внешней линией передачи сигнала, на торцах отражатель имеет прямоугольный паз для установки токопроводящей прокладки, при этом на передней плоскости отражателя выполнено две пары расположенных одно над другим отверстий, пары отверстий расположены симметрично относительно центра отражателя, в отверстия запрессованы резьбовые втулки, а на облучателе вокруг отверстий сделано обнижение поверхности, обеспечивающее установку перемычек, скрепляющих соседние антенные решетки по вертикали, при этом расположение вибраторов на отражателе обеспечивает сохранение шага расположения вибраторов в соседних антенных решетках при установке любого количества антенных решеток рядом друг с другом.

Проведенный сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:

- в конструкции прототипа не предусмотрены элементы, обеспечивающие стыковку нескольких одинаковых экземпляров антенной решетки и крепление к несущим конструкциям для построения больших антенных устройств. В отличие от этого в предлагаемом устройстве на торцах отражателя выполнен прямоугольный паз для установки токопроводящей прокладки, обеспечивающей установку антенных решеток рядом друг с другом, при этом сохраняются одинаковые расстояния между излучателями на границах антенных решеток при построении антенных систем с большим числом излучателей. Для соединения соседних антенных решеток по вертикали отражатель имеет четыре резьбовых втулки с обнижением поверхности отражателя вокруг их отверстий;

- в прототипе используются плоские излучатели, представляющие собой симметричные вибраторы, выполненные методом травления фольгированного стеклотекстолита, установленные перпендикулярно к отражателю, для подключения вибратора к внешней линии передачи сигнала используются внешний и внутренний проводники. В отличие от этого в предлагаемом устройстве использованы цельнометаллические симметричные вибраторы, при этом плечи вибратора крепятся на внешних проводниках трехпроводной воздушной линии передачи, внутренний проводник расположен между внешними проводниками линии передачи, вибраторы выполнены методом фрезерования или литья, что обеспечивает вибропрочность конструкции;

- в прототипе выходы излучателей подключены к сумматору-делителю, выходом прототипа в режиме приема является разъем сумматора-делителя, в режиме передачи входом прототипа является тот же самый разъем. В отличие от этого в предлагаемом устройстве каждый излучатель имеет свой выход, что обеспечивает расширение области применения устройства и возможность его использования в АФАР с регулировкой фазовых соотношений в цепи каждого излучателя.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемой антенной решетки из литературы не известно, поэтому она соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг.1 приведен внешний вид предлагаемой антенной решетки.

На фиг.2 приведен внешний вид предлагаемой антенной решетки сбоку.

На фиг.3 приведен внешний вид антенного устройства из четырех антенных решеток, установленных рядом друг с другом.

Антенная решетка (фиг.1) состоит из восьми излучателей 1, расположенных в одну линейку на прямоугольном плоском металлическом отражателе 2. Отражатель 2 имеет восемь отверстий 3, центры которых совпадают с проекциями центров излучателей 1 на отражатель 2, предназначенные для соединения внутреннего проводника каждого вибратора излучателя 1 с внешней линией передачи сигнала (на фиг.1 не показаны).

На отражателе 2 выполнены четыре отверстия 4, расположенные парами одно над другим, вокруг отверстий 4 выполнено обнижение 5 поверхности отражателя 2. Пары отверстий 4 расположены симметрично относительно центра отражателя 2.

На торцах отражатель 2 (фиг.2) имеет прямоугольный паз 6 для установки токопроводящей прокладки (на фиг.2 не показана). В отверстия 4 запрессованы резьбовые втулки 7. Обнижение 5 поверхности отражателя 2 и резьбовые втулки 7 обеспечивают установку перемычек (на фиг.2 не показаны) для соединения двух соседних антенных решеток между собой по вертикали.

На фиг.3 показан пример установки четырех антенных решеток рядом друг с другом. Расположение излучателей 1 на отражателе 2 обеспечивает сохранение шага расположения вибраторов в соседних антенных решетках при установке любого количества антенных решеток рядом друг с другом.

Излучатель 1 представляет собой симметричный вибратор с элементами его крепления к отражателю 2, при этом плечи вибратора крепятся на внешних проводниках плоской трехпроводной воздушной линии передачи, внутренний проводник расположен между внешними проводниками линии передачи и служит для подключения внешней фидерной линии передачи сигнала (на фиг.1 не показана) через отверстие 3. Форма вибратора аналогична симметричным вибраторам в [3 - Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д.И. Воскресенского, М.: «Радиотехника», 2003. - стр.222, рис.2.6.1а-2.6.1в].

Излучатели 1 выполнены из дюралюминия методом литья или фрезерования и представляют собой единую конструкцию, что обеспечивает их высокую вибропрочность.

Излучатели в предлагаемой антенной решетке имеют отдельные выходы, что обеспечивает возможность построения многоэлементных АФАР с регулировкой амплитудно-фазовых соотношений в каждом канале и позволяет формировать в раскрыве АФАР расчетные значения распределения поля с высокой точностью. В прототипе все излучатели подключены к сумматору-делителю, а фазовые и амплитудные соотношения между сигналами в излучателях определяются длиной отрезков соединительных кабелей между излучателями и сумматором-делителем и являются фиксированными.

Расстояние d между центрами излучателей 1 определяется максимальным углом отклонения θ₀ в секторе сканирования луча по соответствующей плоскости - азимутальной или угломестной при использовании антенной решетки в АФАР в соответствии с [3 - стр.34] соотношением

d/λ≤1/(1+sinθ₀),

где λ - длина волны используемого сигнала.

Предлагаемая антенная решетка обеспечивает построение на ее основе антенных устройств с большим числом излучателей путем установки любого количества экземпляров антенной решетки рядом друг с другом, при этом сохраняется расчетное расстояние между излучателями, резьбовые втулки 7 обеспечивают соединение соседних антенных решеток между собой, а токопроводящая прокладка, установленная в прямоугольный паз 6, обеспечивает надежный электрический контакт соседних антенных решеток между собой.

Антенная решетка может использоваться в двух режимах работы, в зависимости от режима работы системы, в которой она используется:

- в режиме передачи каждый излучатель возбуждается сигналом, поступающим на его вход по внешней фидерной линии от аппаратуры передачи. Антенная решетка обеспечивает формирование диаграммы направленности, форма и направление максимума которой определяются амплитудными и фазовыми соотношениями сигналов, подаваемых на излучатели [3 - стр.29];

- в режиме приема каждый излучатель возбуждается сигналом, поступающим на него из эфира, далее этот сигнал передается по внешней фидерной линии для дальнейшей обработки на аппаратуру приема. В этом режиме антенная решетка обеспечивает формирование диаграммы направленности, форма и направление максимума которой определяются амплитудными и фазовыми соотношениями, установленными в каналах аппаратуры приема.

По предлагаемому техническому решению был изготовлен макет АФАР с цифровым формированием ДН, экспериментально измеренные характеристики подтверждают расчетные данные.