ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

Техническое решение относится к радиотехнической промышленности средств связи и может использоваться в антенной технике как самостоятельно, так и в качестве фрагмента антенной решетки с управляемой поляризацией.

Известна волноводно-щелевая антенная решетка с двойной поляризацией ["Еricsson Radar Electronics", S-431 84 Molndal Sweden, авт. Lars Iosefsson] , излучающая апертура которой состоит из щелевых линеек бегущей волны двух типов: с продольными щелями по узкой стенке прямоугольного волновода (1) и с поперечными щелями на широкой стенке волновода (2). Линейки 1-го и 2-го типов расположены в апертуре через одну таким образом, что широкие стенки магистральных волноводов ортогональны друг другу. При этом антенная решетка формирует электромагнитное поле излучения с двумя взаимно ортогональными поляризациями. Недостатком такого известного решения является большое расстояние между однотипными щелями, что чревато возникновением больших интерференционных лепестков и снижением КУ. Кроме того, в этой АР не приводится узел запитки и не предусмотрена возможность управления поляризацией.

Известна антенная решетка, излучающая две линейные ортогональные поляризации [пат. США 5543810, заявл. 6.06.95 г., опубл. 6.03.96 г.]. АР выполнена в виде двух излучающих волноводов, которые расположены один над другим и смещены по горизонтали на половину широкой стенки. Эти излучающие волноводы возбуждаются двумя ортогональными к ним волноводами и связаны с ними щелями: в одном - поперечными, а в другом - наклонными. Горизонтальную поляризацию формируют продольные щели, расположенные в центре широкой стенки излучающих волноводов, запитываемых одним из возбуждающих волноводов, и имеющие специальные плоские диполи, а вертикальную - открытые концы узких волноводов, запитываемых другим возбуждающим волноводом. Недостатками этого известного технического решения являются сложная многоэтажная конструкция, способная стать источником технологических амплитудно-фазовых ошибок, а также большие расстояния между щелями (d>λ/2) в плоскости ориентации запитывающих волноводов и связанные с этим фактором большие интерференционные лепестки, обусловленные высоким уровнем излучения узкой щели в этом направлении. Кроме того, в антенне нет возможности управлять поляризацией.

Известна щелевая антенна ["Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенных и фидерных устройств", изд. "Энергия", г. Москва, 1973 г., стр. 143-145, авт. М.С. Жук, Ю.Б. Молочков] с крестообразными щелями, расположенными на круглом волноводе, канализирующем волну Н₁₁. В такой антенне поляризация излучаемого антенной сигнала может меняться за счет изменения ориентации вектора Е волны Н₁₁ с помощью, например, ферритового вращателя плоскости поляризации. Однако создание плоской антенной решетки на базе таких щелевых линеек сопряжено со значительными конструктивными проблемами, кроме того серьезным недостатком этого известного технического решения является большой диаметр круглой трубы, с использованием которой трудно реализовать в составе решетки расстояние между щелями в плоскости, ортогональной оси волновода, меньше 0,7λ.

Наиболее близкой по конструкции и технической сущности к предлагаемому техническому решению является волноводная антенная решетка (АР) [А.С. СССР 1746444, МПИ H 01 Q 13/10, 1989 г.], состоящая из двух вложенных одна в другую линейных подрешеток, содержащих отрезки прямоугольных волноводов, на узких стенках которых расположены нерезонансные щели под углом 45^o к осевой линии и ортогональные к щелям соседней подрешетки. Волноводы с излучающими щелями (линейки) первой и второй подрешеток располагаются в апертуре АР через одну, а центры щелей обоих подрешеток - строго на одной линии, перпендикулярной оси линеек. Входы линеек каждой подрешетки присоединены к выходам одного из многоканальных делителей, а входы обоих делителей соединены с двумя выходами управляемого сумматора, в один из выходов включен управляемый фазовращатель, а вход сумматора является входом волноводно-щелевой антенной решетки. С целью увеличения рабочей полосы частот при использовании частотного сканирования в АР используют линейки бегущей волны с неэквидистантным расположением щелей вдоль магистрального волновода на достаточно большом расстоянии друг от друга. Расстояние между щелями в другой плоскости, ортогональной линейке в обеих подрешетках, выбрано меньше 0,6λ, что, однако, при высоком уровне излучения узких щелей под углом 90^o к максимуму основной ДН, не позволяет избежать интерференционных лепестков. Антенная решетка работает в каждый момент времени только на одной поляризации и имеет один входной канал. За счет изменения амплитуды и фазы СВЧ-сигнала в одной из подрешеток с помощью управляемых сумматора и фазовращателя антенна может менять излучаемую поляризацию.

Основными недостатками этого известного технического решения являются:
1) размещение излучающих щелей на узких стенках прямоугольных волноводов (b<0,3λ), что приводит к большой толщине излучающего полотна (апертуры) (≈0,8-0,9λ) и исключает возможность реализации щелей с большой мощностью излучения и, соответственно, обеспечение высокого кпд в линейках (особенно, в АР малых размеров);
2) высокий уровень интерференционных лепестков, обусловленный слабой направленностью узкой щели в плоскости Е и достаточно большим шагом щелей в апертуре решетки;
3) отсутствие возможности корректировки фаз на входах в излучающие линейки, что исключает использование многоканальных делителей как с технологическими фазовыми ошибками, так и с принципиальным изменением фазы в ответвленных каналах (например, компактных распределителей последовательного питания и др.) без введения на выходы делителей специальных фазосдвигающих корректирующих устройств. Это приводит к возникновению повышенного уровня кросс поляризации, УБЛ и снижению КУ;
4) отсутствие возможности одновременной работы антенной решетки на двух взаимно ортогональных поляризациях.

Технический результат предлагаемого решения заключается в следующем:
- уменьшение толщины излучающего полотна;
- увеличение кпд линеек и КУ решетки в целом;
- снижение УБЛ и кросс поляризации;
- снятие ограничения на использование практически любых вариантов многоканальных делителей;
- обеспечение возможности как одновременной работы с двумя взаимно ортогональными поляризациями на двух входах в АР, так и управление поляризацией по каждому из входов.

Такие широкие функциональные возможности обеспечиваются тем, что
1) отрезки волноводов с излучающими щелями (линейки)(по n в каждой подрешетке) имеют П-образный профиль, а излучающие щели прорезаны в серединах широких стенок этих волноводов, что позволяет реализовать любые, в том числе и большие, мощности излучения щелей, обеспечивающие максимальный кпд отдельных линеек и максимальный КУ в составе антенной решетки (даже небольших размеров);
2) размер широкой стенки П-образного волновода выполнен равным a≤0,5λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, а по обе стороны от продольной оси каждой щели на расстоянии d=(0,25±0,05)λ от нее, на уровне ее центра перпендикулярно широкой стенке, установлены электрические вибраторы высотой h= (0,5±0,05)λ, имеющие с этой стенкой электрический контакт, при этом П-образные волноводы примыкают вплотную друг к другу, а пары взаимно ортогональных, попарно одинаковых щелей, являющиеся в совокупности с их электрическими вибраторами фактически элементарными излучателями такой решетки, расположены в ее апертуре в шахматном порядке, - все это позволяет обеспечить возможность управления поляризацией поля в АР, понизить уровень интерференционных лепестков и увеличить КУ за счет принятия одновременных мер по уменьшению шага упомянутых элементарных излучателей и снижению уровня их электромагнитного излучения в направлении возможных интерференционных лепестков;
3) управляемые фазовращатели в количестве 2n штук установлены на всех выходах каждого волноводного делителя и соединены с соответствующими отрезками волноводов с излучающими щелями, обеспечивая возможность корректировки фазы на входе в каждый из этих отрезков, что позволяет одновременно снизить уровень кросс поляризации, УБЛ и увеличить КУ в антенной решетке.

4) в волноводно-щелевую антенную решетку введен мост с двумя входами, по которым формируется в АР электромагнитное поле с двумя взаимно ортогональными поляризациями, существующими одновременно, в то же время, 2n фазовращателей, упомянутых в п.3, по каждому из входов позволяют менять поляризацию за счет введения во все фазовращатели, относящиеся к одной из подрешеток, одинаковых фазовых сдвигов (например, 90, 180 или 270^o), что обеспечивает формирование основных видов поляризации (линейной и круговой) по каждому из входов АР, например:
- по входу Вх1 - вертикальной, при этом по входу Вх2 - горизонтальной;
- по входу Вх1 - круговой левого вращения, при этом по входу Вх2 - поляризации правого вращения...

Таким образом, сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что
- отрезки волноводов с излучающими щелями в количестве n в каждой подрешетке имеют П-образный профиль с размером широкой стенки a≤0,5λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, вплотную примыкают друг к другу, образуя единую излучающую апертуру с общим количеством отрезков волноводов 2n;
- излучающие щели прорезаны в серединах широких стенок, а по обе стороны от продольной оси каждой щели на расстоянии d=(0,25±0,05)λ от нее, на уровне ее центра перпендикулярно широкой стенке, установлены электрические вибраторы высотой h=(0,5±0,05)λ, имеющие с этой стенкой электрический контакт;
- размеры взаимно ортогональных щелей, стоящих рядом и запитываемых соседними отрезками волноводов из различных подрешеток, попарно одинаковы;
- пары щелей и соответствующих им вибраторов образуют элементарный излучатель АР, m-элементарных излучателей расположены в апертуре в шахматном порядке;
- 2n управляемых фазовращателей установлены в каждый выходной канал обоих волноводных делителей, по n в каждый делитель, и соединены с соответствующими отрезками волноводов с излучающими щелями;
- дополнительно введен мост, к двум выходам которого присоединены входы делителей, а два входа являются входами волноводно-щелевой решетки.

Сущность предлагаемого технического решения будет понятна из следующего описания и приложенного к нему графического материала.

Фиг.1 - предлагаемая волноводно-щелевая антенная решетка, где:
- Bx1, Bx2 - первый и второй входы волноводно-щелевой решетки;
d_ш ^г - шаг элементарных излучателей в горизонтальной плоскости;
- d_ш ^в - шаг элементарных излучателей в вертикальной плоскости.

Фиг. 2 - элементарный излучатель волноводно-щелевой антенной решетки, где:
- а - размер широкой стенки П-образного волновода;
- d - расстояние от центра щели до электрического вибратора;
- h - высота электрического вибратора.

Фиг. 3 - экспериментальные диаграммы направленности в плоскости ϕ=0^oдля различных поляризаций в конкретной реализации предлагаемой антенной решетки.

Фиг. 4 - экспериментальные диаграммы направленности в плоскости ϕ=90^oдля различных поляризаций в конкретной реализации предлагаемой антенной решетки.

Волноводно-щелевая антенная решетка состоит из моста 1, первого n-канального делителя 2 и второго n-канального делителя 3, выполненных, например, в виде последовательно соединеных общим магистральным волноводом n-направленных ответвителей, первого управляемого фазовращателя 4, второго управляемого фазовращателя 5, третьего управляемого фазовращателя 6, n-го управляемого фазовращателя 7, n+1-гo управляемого фазовращателя 8, n+2-го управляемого фазовращателя 9, n+3-го управляемого фазовращателя 10, 2n-го управляемого фазовращателя 11, первого отрезка П-образного волновода с излучающими щелями 12, второго отрезка П-образного волновода с излучающими щелями 13, третьего отрезка П-образного волновода с излучающими щелями 14, n-го отрезка П-образного волновода с излучающими щелями 15, n+1-гo отрезка П-образного волновода с излучающими щелями 16, n+2-го отрезка П-образного волновода с излучающими щелями 17, n+3-го отрезка П-образного волновода с излучающими щелями 18, 2n-го отрезка П-образного волновода с излучающими щелями 19, причем первый, второй, третий и n-й отрезки П-образного волновода с излучающими щелями образуют первую подрешетку, а n+1, n+2, n+3 и 2n-й отрезки П-образного волновода с излучающими щелями образуют вторую подрешетку, и также включает m-элементарных излучателей 20, каждый из которых состоит из двух взаимно ортогонально расположенных излучающих щелей 21, и электрических вибраторов 22.

Принцип работы предлагаемой волноводно-щелевой антенной решетки заключается в следующем: СВЧ-сигнал, поданный на первый или второй входы моста 1, являющиеся первым и вторым входами волноводно-щелевой антенной решетки, делится на две равные части, при этом одна часть этого сигнала поступает на вход первого n-канального делителя 2, разветвляющего его в n-выходов и далее через управляемые фазовращатели 4, 5, 6 и 7 в отрезки П-образных волноводов с излучающими щелями 12, 13, 14, 15 первой подрешетки, а другая часть поступает через второй n-канальный делитель 3, разветвляющий его в n-выходов и далее через управляемые фазовращатели 8, 9, 10 и 11 в отрезки П-образных волноводов с излучающими щелями 16, 17, 18, 19 второй подрешетки. В результате, если обе взаимно ортогональные щели каждого элементарного излучателя 20 волноводно-щелевой антенной решетки запитать со стороны первого входа синфазно, волноводно-щелевая антенная решетка сформирует электромагнитное поле излучения с вертикальной поляризацией (фиг.2):
E¹ⁿ+E²ⁿ=Е_y ¹ⁿ+Е_y ²ⁿ,
(Е_x ¹ⁿ+Е_x ²ⁿ=0),
при этом со стороны второго входа щели элементарного излучателя запитываются противофазно, а поляризация сформированного электромагнитного поля является горизонтальной:
(Е_у ¹ⁿ+Е_у ²ⁿ=0),
Е¹ⁿ+Е²ⁿ=Е_х ¹ⁿ+Е_х ²ⁿ.

Управляемые фазовращатели (4...11) в составе антенной решетки выполняют две функции:
- с одной стороны, они компенсируют несинфазность излучаемого СВЧ-сигнала, вызванную:
отличием фазовых распределений на выходах делителей (2, 3) от требуемых;
фазовыми сдвигами, обусловленными шахматным размещением щелей в апертуре;
технологическими фазовыми отклонениями в волноводных каналах делителей (2, 3) и отрезках П-образных волноводов (12...19);
эта компенсация позволяет ограничить возможное снижение КУ, увеличение УБЛ и кросс поляризации;
- с другой стороны, обеспечивают изменение фазы излучаемого СВЧ-сигнала в одной подрешетке по сравнению с другой на Δϕ=90^o, 180^o или 270^o, что позволяет устанавливать вид поляризации в излучаемой АР, например:
при Δϕ=0^o по Bx1 - поляризация вертикальная; по Вх2 - горизонтальная;
при Δϕ= 90^o по Bx1 - поляризация круговая левого вращения; по Вх2 - круговая правого вращения;
при Δϕ=180^o по Bx1 - поляризация горизонтальная; по Вх2 - вертикальная;
при Δϕ= 270^o по Bx1 - поляризация круговая правого вращения; по Вх2 - круговая левого вращения.

Известно, что излучающие щели (21) (фиг.2) в плоскости Е имеют уровень излучения во всех направлениях, практически одинаковый, что при большом расстоянии между элементарными излучателями (20) (d_щ>λ) приводит к большим интерференционным лепесткам (фиг.3) и, соответственно, низкому коэффициенту усиления в направлении максимума основной диаграммы направленности (ДН). Установка электрических вибраторов (22), перпендикулярных широким стенкам П-образных волноводов (12...19) (параллельно вектору Е излучаемого щелью в этом направлении сигнала), позволяет при определенных размерах электрического вибратора (22) (h=(0,5±0,05)λ) и расстоянии его от центра щели (21) (d= (0,25±0,05)λ) подавить это излучение и направить его в основную ДН, увеличив тем самым КУ АР.

Технико-экономические преимущества предложенного решения по сравнению с прототипом заключаются в улучшении характеристик излучения (увеличения КУ, снижения УБЛ и кросс поляризации) за счет улучшения фазового распределения в апертуре антенной решетки и увеличения кпд отдельных линеек (отрезков П-образных волноводов со щелями на широкой стенке), а также в обеспечении возможности одновременной работы АР на двух взаимно ортогональных поляризациях при изменении этих поляризаций во времени.

Результаты практической реализации предложенного технического решения не вызывают сомнения. Изготовлен и прошел испытания макет волноводно-щелевой антенной решетки со следующими характеристиками:
n= 4; количество щелей в каждом отрезке П-образного волновода i=8; a= 0,48λ; d=0,3λ; h=0,48λ; d_ш ^г=0,6λ или 1,2λ; d_ш ^в≈λ.

Испытания подтвердили достижение заявленного технического эффекта (см. фиг.3, 4). По Вх1 и Вх2 в АР формируются диаграммы направленности со взаимно ортогональными поляризациями, при этом в плоскости ϕ=0^o предложенное шахматное расположение элементарных излучателей (d_ш ^г=0,6λ) в совокупности с использованием электрических вибраторов позволяет минимизировать как кросс поляризационные, так и интерференционные лепестки вплоть до θ=90^o, а в плоскости ϕ= 90^o введение электрических вибраторов обеспечивает существенное снижение кросс поляризационных, интерференционных лепестков даже при d_ш ^в≈λ.

Проведена экспериментальная проверка изменения поляризации излученного АР сигнала при введении в одну из подрешеток постоянного фазового сдвига одновременно во все фазовращатели: Δϕ=90^o, 180^o и 270^o. Установлено, что по Вх1 вертикальная поляризация при этом превращается в круговую левого вращения, затем - в горизонтальную, а затем в круговую правого вращения, а по Вх2 формируется соответственно круговая правого вращения, вертикальная и круговая левого вращения.