Устройство управления поляризацией

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и может быть использовано в антенно-фидерных системах РЛС сантиметрового диапазона с переключаемой поляризацией, т.е. для обеспечения в системе режима ортогональных линейных поляризаций /вертикальной или горизонтальной/ и ортогональных круговых поляризаций /с левым или правым направлением вращения вектора поляризации/. При этом в системе при переходе от одного вида поляризации к другому должны быть сведены к минимуму потери СВЧ сигнала и исключена возможность появления паразитной поляризации.

В антенно-фидерной технике известны схемные решения, позволяющие обеспечивать в зеркальных антенных системах различные виды поляризации, ортогональные круговые или ортогональные линейные. Так, в книге В.Г. Глаголевского и Ю.А. Шишова "Антенны радиолокационным станций", Изд-во Мин-ва обороны СССР, М., 1977, стр. 89-90, приведена схема и конструкция антенны с круговой поляризацией на основе трехдецибельного волноводно-щелевого моста. Антенна состоит из волноводно-щелевого моста, двух волноводов, скрученных в разные стороны на 45° каждый, фильтра высших типов волн, представляющего собой плавный переход от двух взаимно перпендикулярных волноводов к общему квадратному волноводу, пирамидального рупора.

При запитке антенны со стороны первого плеча волноводно-щелевого моста энергия делится поровну между смежными вторым и третьим плечами и не проходит в четвертое плечо, смежное с первым. Колебания во втором и третьем плечах сдвинуты между собой по фазе на 90°. При помощи волноводных скруток поворачиваются плоскости поляризации этих колебаний. В результате в квадратном волноводе возбуждаются волны Н10 и Н01 со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации и со сдвигом по фазе на 90°, и рупор излучает волну с круговой поляризацией.

При возбуждении со стороны четвертого плеча моста антенна также излучает поле круговой поляризации, но с противоположным направлением вращения.

Недостатком такой антенны является отсутствие возможности реализации в ней линейных ортогональных поляризаций.

В Научно-техническом отчете о составной части НИР "Исследование путей повышения помехозащищенности РЛС обнаружения и целеуказания в условиях воздействия активных и пассивных помех при использовании адаптивной поляризационной защиты" приведена схема формирования вращающейся поляризации в зеркальной осесимметричной антенне. Схема содержит синфазный трехдецибельный делитель мощности /двойной Т-мост/, боковые плечи которого подключены к двум входам поляризационного моста. Между одним из входов поляризационного моста и боковым плечом Т-моста включена 90-градусная фазосдвигающая секция, за счет чего колебания, поступающие на вход поляризационного моста, сдвинуты по фазе на 90°. В квадратном волноводе поляризационного моста возбуждаются волны H₁₀ и H₀₁ со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации и со сдвигом по фазе на 90°, и рупор излучает волну с круговой поляризацией. Недостатками такой системы являются также отсутствие возможности реализации в ней линейных ортогональных поляризаций и узкополосность, обусловленная использованием 90°-градусной фазосдвигающей секции.

В Научно-техническом отчете о составной части НИР "Исследование путей повышения помехозащищенности РЛС обнаружения и целеуказания в условиях воздействия активных и пассивных помех при использовании адаптивной поляризационной защиты" приведена схема зеркальной антенны с переключаемыми линейными ортогональными поляризациями, принятая авторами за прототип. Схема зеркальной антенны приведена на рис. 1. Схема содержит волноводный переключатель с двумя проходными каналами, разделитель поляризаций - поляризационный мост, рупор с квадратным раскрывом, отражатель. При таком построении схемы входная мощность, поступающая на вход переключателя в зависимости от положения ротора попадает вход I или вход II поляризационного моста, на выходе которого /квадратный волновод/ реализуется вертикальная или горизонтальная поляризация волны, излучаемой рупором с квадратным раскрывом.

Недостатками такого схемного построения зеркальной антенны являются отсутствие в ней круговой поляризации и узкополосность, обусловленная узкополосностью моста. Кроме того, такая схема применима только для осесиметричных зеркальных антенн. Для антенн, отражатели которых представляют собой вырезку из параболоида вращения, элементом, ограничивающим использование этой схемы, являются пирамидальные, конические рупорные облучатели.

К облучателям зеркальных антенн с переключаемой и управляемой поляризацией предъявляются два требования, выполнение которых необходимо для получения высокой эффективности раскрыва и малого уровня бокового и заднего излучения антенны: диаграммы направленности /ДН/ должны обеспечивать оптимальное облучение краев отражателя /на уровне -10 дБ/, взаимное смещение фазовых центров для ортогонально поляризованных волн должно быть незначительно.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей зеркальной антенны путем реализации ортогональных поляризаций при оптимизации ее характеристик для отражателей с соотношением ширины и высоты приблизительно как 2:1.

Поставленная цель достигается тем, что облучатель выполнен в виде системы сдвоенных рупоров с квадратным раскрывом. К квадратному выходу каждого из них подключены последовательно соединенные разделитель поляризации, выполненный в виде волноводного поляризатора с перегородкой, двухканальный синфазный делитель мощности, переключателя поляризации. При этом два выхода переключателя поляризации подсоединены ко входам двух делителей мощности и первый выход первого делителя мощности подключен к первому входу первого поляризатора, второй выход первого делителя мощности подключен к первому входу второго поляризатора, а первый выход второго делителя мощности подключен ко второму входу первого поляризатора, второй выход второго делителя мощности подключен ко второму входу второго поляризатора. Выполнением облучателя в виде системы сдвоенных рупоров с квадратным раскрывом достигается оптимальное облучение краев отражателя антенны с соотношением ширины и высоты, приблизительно, как 2:1, что в конечном счете позволяет увеличить КУ антенны, уменьшить уровни бокового и заднего излучения, т.е. оптимизировать характеристики антенны.

Введением двухканального синфазного делителя мощности, выполнением разделителя поляризации в виде волноводного поляризатора с перегородкой, последовательным их соединением и подключением выходов поляризаторов к квадратному входу каждого из рупоров, а входов делителей мощности - к двум выходам переключателя поляризации в антенной системе реализуются ортогональные линейные и ортогональные круговые поляризации, причем при переходе от одного вида поляризации к другому сведены к минимуму потери СВЧ-сигнала.

Все это в совокупности обеспечивает достижение поставленной цели.

Авторам не известны другие технические решения, имеющие совокупность признаков, совпадающую с отличительными признаками заявляемого технического решения.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где на рис. 2 представлена схема зеркальной антенны с переключаемыми поляризациями, отражатель которой представляет собой несимметричную вырезку из параболоида вращения с соотношением ширины и высоты, приблизительно, как 2:1, а на рис. 3 изображена схема осесимметричной зеркальной антенны с переключаемыми поляризациями. Схема, приведенная на рис. 3 в качестве примера, является частным случаем схемы рис. 2.

На рис. 4, 5, 6, 7 в качестве примера приведены схемы переключателя поляризации, представляющего собой блок переключения вида поляризации, состоящий из двух волноводных переключателей, роторы которых жестко зафиксированы на общей оси вращения. Здесь же приведены положения роторов переключателей, позволяющих реализовать в антенне передачу сигналов соответственно вертикальной, горизонтальной правовинтовой и левовинтовой круговой поляризации.

Возможны и другие варианты построения переключателя поляризации.

На рис. 8 приведено схематическое изображение волноводного поляризатора с перегородкой, а на рис. 9, 10 приведена структура поля в поляризаторе при приеме сигналов соответственно вертикальной и горизонтальной поляризации.

Для зеркальных антенн, соотношение ширины и высот которых составляет, приблизительно, как 3:1 или 4:1 количество облучателей, поляризаторов и каналов в делителях мощности может быть соответственно увеличено.

Зеркальная антенна /рис.2/ состоит из отражателя 1, представляющего собой несимметричную вырезку из параболоида вращения с соотношением ширины и высоты как 2:1. Отражатель антенны облучается сдвоенными рупорами 2, 3 с квадратными раскрывами, разнесенными друг от друга на расстояние, приблизительно равное 0,8λ. К квадратным входам рупоров подключены квадратные выходы двух волноводных поляризаторов 4, 5 с перегородкой. Волноводный поляризатор с перегородкой подробно описан в "IEEE Transaction on antennas and propagation", May 1973, V. AP-21, №3, p. 389-391.

Схематическое изображение его приведено на рис. 8. Он представляет собой квадратный волновод с расширяющейся перегородкой, которая делит волновод на две прямоугольные секции /плечи/ с общей широкой стенкой. Прямоугольные каналы поляризатора являются его двумя входами, а квадратный волновод - его выходом.

Первые входы поляризаторов 4 и 5 подключены к выходам синфазного двухканального делителя 6, а вторые входы поляризаторов 4, 5 подключены к выходам синфазного двухканального делителя 7, аналогичного делителю 6. Входы делителей 6 и 7 подключены к выходу 1 и выходу 2 блока переключения вида поляризации 8, состоящего из двух волноводных переключателей 9, 10, установленных на общей оси вращения. Конструктивно каждый из волноводных переключателей 9 и 10 состоит из ротора и статора. Ротор волноводного переключателя 9 /рис. 4/ содержит три проходных волноводных канала 11, 12, 13 и встроенные в него поглощающие нагрузки 14. Каналы 11, 13 являются обычными угловыми волноводными поворотами в плоскости Е под углом 90°, а канал 12 является прямым волноводным каналом, проходящим через диаметральную плоскость ротора. Выходы каналов 11, 13 расположены симметрично под углом 45° к выходам канала 12, а входы нагрузок 14 ортогональны каналу 12. Статор переключателя 9 содержит два входных и два выходных канала, причем последние являются выходными каналами блока переключения вида поляризации 8 /вых. 1, вых. 2/.

Входные и выходные каналы статора расположены в ортогональных диаметральных плоскостях.

Ротор волноводного переключателя 10 содержит два независимых канала 15 и 16. Канал 15 является обычным угловым волноводным поворотом в плоскости Е под углом 90°, канал 16 представляет собой волноводный Т-мост, который делится в плоскости Е на два выходных канала 17 и 18, расположенных вместе с Е-плечом моста в плоскости вращения ротора, а Н-плечо через вспомогательные элементы /скрутку и радиусные повороты/ также выходит в плоскость вращения ротора в виде канала 19. Статор переключателя 10 содержит 4 канала, расположенные под углом 90° в диаметральных плоскостях. Один из каналов является входом устройства, к каналу, диаметрально расположенному, подключена поглощающая нагрузка 20.

К двум остальным каналам, расположенным под углом 90° к двум первым и являющимися выходными каналами переключателя 10, подключены два идентичных по конфигурации и длине соединительных волновода 21 и 22, соединяющие переключатель 10 с двумя входами переключателя 9. Схемно переключатель 10 может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных переключателя и двойного Т-моста.

Устройство работает следующим образом. Элементами зеркальной антенны, работающими на любой ортогональной поляризации /линейной или круговой/, являются отражатель 1, рупора 2, 3 и поляризаторы 4, 5. Формирование вида поляризации производится поляризаторами 4 и 5 и зависит от того, какие сигналы поступают на входы I и II поляризаторов 4, 5 от двухканальных делителей 6, 7.

Сигнал, подаваемый на один из входов поляризатора с прямоугольным сечением, преобразуется в квадратной секции его в сигнал с круговой поляризацией. При этом правая или левая круговая поляризации получаются в зависимости от того, на какой из входов I или II поляризатора подается входной сигнал. Наоборот, сигнал с круговой поляризацией из секции с квадратным сечением попадает в зависимости от направления вращения вектора поляризации на вход I или II.

Принцип работы волноводного поляризатора ясен из рисунков 8, 9, 10. Составляющая поля, параллельная перегородке, трансформируется в две нечетные моды /контрфазные составляющие/ в прямоугольных плечах /входы I и II, а перпендикулярная составляющая трансформируется в две четные моды /синфазные составляющие/. Если обе составляющие существуют одновременно, в одном из прямоугольных плеч произойдет взаимное подавление сигналов. Пусть, например, по направлению к перегородке из квадратной секции распространяется сигнал с первой круговой поляризацией, так что вертикальная составляющая опережает горизонтальную на 90°. Область перегородки может рассматриваться как замедляющая структура для вертикальной составляющей. Если выполнить перегородку такой длины, чтобы задержка по фазе для вертикальной составляющей равнялась 90°, обе составляющие будут подавлять друг друга в плече BxI и складываться в фазе в плече ВхII поляризатора.

Подавая в прямоугольные плечи на входы I и II сигналы с одинаковыми амплитудами, можно получить на выходе квадратного рупора сигнал с линейной поляризацией, вектор поляризации которого имеет наклон, пропорциональный разности фаз исходных сигналов. Если исходные сигналы синфазны, на выходе поляризатора получается сигнал с горизонтальной поляризацией, если исходные сигналы контрфазны, на выходе поляризатора получается сигнал с вертикальной поляризацией. Подробно рассмотрев принцип работы волноводного поляризатора с перегородкой, формирующие сигналы ортогональных линейной или круговой поляризации, рассмотрим теперь работу зеркальной антенны, используя схему, приведенную на рис. 2 и схему блока переключения вида поляризации, приведенную на рис. 4. Входной сигнал поступает в Е-плечо Т-моста переключателя 10, делится там пополам на два равных контрфазных сигнала, попадает в боковые плечи 17, 18 моста и через идентичные соединительные волноводы 21, 22 попадает в проходные каналы 11, 13 волноводного переключателя 9. Таким образом, на выходах 1, 2 блока переключения вида поляризации 8 появляются два контрфазных сигнала равной амплитуды. Попадая на входы делителей мощности 6 и 7, эти сигналы появляются на входах I, II поляризаторов 4, 5, сохраняя свою контрфазность на входах каждого поляризатора. В соответствии с принципом их работы поляризаторы 4, 5 преобразуют поступающие в каждый из них два сигнала в сигнал вертикальной поляризации, направляя его в квадратные рупора 2, 3, облучающие отражатель 1. Рупора 2, 3 расположены друг под другом в вертикальной плоскости, поэтому они формируют первичную диаграмму, узкую в вертикальной плоскости и широкую в горизонтальной, что соответствует оптимальному облучению отражателя.

Излучение антенной сигналов других поляризаций зависит от положения роторов переключателей 9, 10 блока переключения вида поляризаций 8 и соответствующего прохождения входного сигнала на входы делителей мощности 6, 7 для его излучения в виде сигнала горизонтальной, круговой с правым или левым направлением вращения вектора поляризации. Работа антенны в этих режимах ясна из рисунков 5, 6, 7.

Использование предлагаемой зеркальной антенны позволяет реализовать в изделии ортогональные линейные и круговые поляризации и оптимизировать КУ и УБЛ антенны, отражатель которой имеет форму, отличную от осесимметричной.