Патент на изобретение №2305879

(54) СКАНИРУЮЩАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат заключается в обеспечении широкополосности антенной решетки при сканировании в широком секторе, снижении ее массы и стоимости. Сущность изобретения состоит в том, что сканирующая антенная решетка содержит излучающую структуру в виде двумерной решетки из отверстий в металлическом диске и источник плоского фронта волны в виде слоя диэлектрика на металлическом основании и возбудителя слоя диэлектрика, который выполнен в виде открытого конца плоского волновода с расширением верхней стенки рупорного типа. Излучающая структура расположена с зазором от поверхности слоя диэлектрика, линейно уменьшающимся от до в направлении от возбудителя слоя диэлектрика к другому концу слоя диэлектрика, где m=0, 1, 2, …; d – толщина слоя диэлектрика; – диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика. Излучающая структура выполнена с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной ее плоскости, при этом угол отклонения диаграммы направленности связан с углом поворота излучающей структуры соотношением =arcsin((/l)sin), где l – период решетки в направлении от возбудителя к концу слоя диэлектрика при =0°, – длина волны. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к сканирующим антенным решеткам, и может найти применение при разработке приемопередающих антенных решеток СВЧ диапазона со сканированием в одной плоскости для радаров и устройств связи.

Известна антенная решетка со сканированием посредством механического изменения высоты центрального ребра волновода, содержащего периодические выступы (Сканирующие антенные системы СВЧ, т.III, Р.С.Хансен, перевод с английского, под редакцией Г.Т.Маркова и А.Ф.Чаплина. М.: Сов. радио», 1971. – С.84-86). Данная антенная решетка допускает сканирование в относительно малом интервале углов.

Известны антенные решетки с частотным или фазовым управлением, обеспечивающие сканирование в одной плоскости в достаточно широком секторе углов сканирования. Однако данные антенные решетки конструктивно сложны, требуют применения дорогостоящих элементов управления и, как правило, имеют большую массу (Справочник по радиолокации. Под ред. М.Сколника. Т.2. Радиолокационные антенные устройства. М.: Сов. радио, 1977. – С.132-301).

Наиболее близкой к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату при использовании является антенная решетка, содержащая излучающую структуру в виде двумерной решетки из отверстий в металлическом диске и источник плоского фронта волны, который выполнен в виде слоя диэлектрика на металлическом основании и имеет возбудитель слоя диэлектрика в виде трех открытых концов плоского волновода (Steven A.Zelubowski. Low Cost Antenna Alternatives for Automotive Radars. – Microwave J. – P.54-63, July, 1994). Известная антенная решетка обеспечивает расширение сектора обзора за счет формирования трех перекрывающихся диаграмм направленности (ДН), однако не имеет возможности сканирования.

Задачей изобретения является создание широкополосной антенной решетки со сканированием в одной плоскости в широком секторе.

Технический результат, достигаемый при осуществлении данного изобретения, заключается в обеспечении широкополосности антенной решетки при сканировании в широком секторе, снижении ее массы и стоимости.

Указанный технический результат достигается тем, что в сканирующей антенной решетке, содержащей излучающую структуру в виде двумерной решетки из отверстий в металлическом диске и источник плоского фронта волны, который выполнен в виде слоя диэлектрика на металлическом основании и возбудителя слоя диэлектрика, возбудитель слоя диэлектрика выполнен в виде открытого конца плоского волновода с расширением верхней стенки рупорного типа, излучающая структура расположена с зазором от поверхности слоя диэлектрика, линейно уменьшающимся в направлении от возбудителя слоя диэлектрика к другому концу слоя диэлектрика от до , где m=0, 1, 2, …; d – толщина слоя диэлектрика; – диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика, а излучающая структура выполнена с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной ее плоскости, при этом угол отклонения диаграммы направленности связан с углом поворота излучающей структуры соотношением

=arcsin((/l)sin),

где l – период решетки в направлении от возбудителя к концу слоя диэлектрика при =0°, – длина волны.

Технический результат достигается также тем, что излучающая структура состоит из двух идентичных параллельно расположенных двумерных решеток, при этом расстояние между решетками составляет w=/4+n/2, где n=0, 1, 2, ….

Кроме того, внутренняя поверхность двумерной решетки покрыта слоем диэлектрика, толщина которого не превышает толщину слоя диэлектрика источника плоского фронта волны. Отверстия в металлическом диске имеют круглую форму.

Совокупность признаков настоящего изобретения: выполнение возбудителя слоя диэлектрика, расположение излучающей структуры относительно слоя диэлектрика, сканирование за счет поворота излучающей структуры вокруг оси, перпендикулярной ее плоскости, выполнение излучающей структуры из двух параллельно расположенных решеток, покрытие внутренней поверхности слоем диэлектрика и форма отверстий в металлическом диске, является новой и обеспечивает достижение заявленного технического результата.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:

на фиг.1 – конструкция антенной решетки;

на фиг.2 – конструкция первого варианта излучающей системы;

на фиг.3 – конструкция второго варианта излучающей системы;

на фиг.4 – рисунок, поясняющий принцип сканирования луча.

Сканирующая антенная решетка содержит излучающую структуру 1 (фиг.1) в виде двумерной решетки из отверстий в металлическом диске и источник плоского фронта волны в виде слоя диэлектрика 2 на металлическом основании 3. Слой диэлектрика 2 снабжен возбудителем 4 в виде открытого конца плоского волновода с расширением верхней стенки рупорного типа, который, в свою очередь, может запитываться, например, рупорно-параболическим переходом 5 со 180-градусным волноводным разворотом. Излучающая структура 1 расположена (фиг.2 и фиг.3) с зазором переменной величины от поверхности слоя диэлектрика 2, линейно уменьшающимся в направлении от возбудителя слоя диэлектрика к другому концу слоя диэлектрика

от

до

где m=0, 1, 2, …; d – толщина слоя диэлектрика; – диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика.

Излучающая структура 1 установлена с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной ее плоскости, при этом сканирование осуществляется путем поворота излучающей структуры вокруг этой оси. Угол отклонения диаграммы направленности (ДН) от плоскости YZ связан с углом поворота излучающей структуры соотношением

где l – период решетки в направлении от возбудителя к концу слоя диэлектрика при =0°, – длина волны.

Излучающая структура 1 может быть выполнена в виде двух идентичных параллельно расположенных решеток 1а и 1b (фиг.1, 2, 3), чем достигается значительная широкополосность антенны и повышается жесткость подвижной части антенны. Широкополосность повышается при условии, что расстояние между решетками 1а и 1b удовлетворяет соотношению

где n=0, 1, 2, ….

Обеспечение работоспособности антенны при различных порядках m резонансных колебаний в пространстве между излучающей структурой 1 и металлическим основанием 3 осуществляется путем установки дополнительного слоя диэлектрика 6 на внутреннюю поверхность излучающей структуры 1 (фиг.3). Толщина d₁ дополнительного слоя диэлектрика 6 не должна превышать толщину d основного слоя диэлектрика 2.

Работа антенны происходит следующим образом.

Входная мощность высокочастотных колебаний Р₀ с помощью рупорно-параболического перехода 5 (фиг.1) преобразуется в пучок волн с плоским фазовым фронтом, ширина которого по оси ОХ равна диаметру диска 1 с решеткой. Пучок волн в плоском волноводе 4 плавно преобразуется в собственную медленную поверхностную волну в диэлектрическом волноводе, которым является слой диэлектрика 2 на металлической подложке 3. Согласование плоского металлического волновода 4 с диэлектрическим осуществляется посредством рупора в виде расширения верхней стенки плоского волновода 4. Плоская медленная волна диэлектрического волновода возбуждает отверстия в металлическом диске 1, причем в исходном состоянии при =0 все отверстия из каждого ряда с одинаковыми значениями Х возбуждаются синфазно. Таким образом, при =0 волновой вектор пространственного пучка Р_r лежит в плоскости YZ. При повороте диска с решеткой на угол (фиг.4) смежные отверстия из каждого ряда возбуждаются плоской медленной волной P_s с относительным сдвигом начальной фазы, пропорциональным sin , что приводит к отклонению пространственного луча от плоскости YZ. Строгий расчет приводит к формуле (3) для угла между волновым вектором пространственного пучка и его проекцией на плоскость YZ.

Отличительной особенностью приведенного способа сканирования является практически линейная зависимость угла сканирования от угла поворота при достаточно больших значениях . Нелинейность становится заметной только при углах >30°, >40°. Отклонение луча в ортогональной плоскости оказывается незначительным и не превышает 2-4°.

Форма отверстий в металлическом экране не имеет решающего значения, тем не менее, при круглых отверстиях сохраняется поляризация излучения при сканировании.

Работоспособность сканирующей антенны зависит не только от пространственных, но также и от энергетических характеристик диаграмообразующей системы. Такие важные параметры антенны, как уровень бокового излучения, коэффициент полезного действия (кпд), широкополосность, реализуемость электродинамической схемы в реальной конструкции – зависят от вида решетки и от способа осуществления связи с волноводом поверхностных волн. В отличие от диэлектрических волноводов в свободном пространстве, у которых коэффициент связи с решеткой повторяет экспоненциальный закон спадания поля при удалении от поверхности волновода, диэлектрический волновод, расположенный на металлической подложке, имеет свои характерные особенности. Излучающая структура 1 (фиг.1) и металлическая подложка 3 образуют своеобразный открытый резонатор с полупрозрачным верхним зеркалом. Поскольку излучающая структура 1 на начальном этапе преобразования медленной поверхностной волны диэлектрического волновода в объемную излучает в равной степени в сторону положительных значений Y и отрицательных, наблюдается эффективное возбуждение такого открытого резонатора. В дальнейшем происходит интерференция поля излучения резонатора и первичного поля, излученного решеткой в сторону положительных значений Y. Поэтому зависимость коэффициента связи диэлектрического волновода на металлической подложке с решеткой от величины (фиг.2) имеет сложный осциллирующий характер, а расстояния между одноименными экстремумами составляет /2. Для реализации низкого уровня бокового излучения и высокого кпд излучающая структура 1 расположена (фиг.2) с зазором переменной величины от поверхности слоя диэлектрика 2, линейно уменьшающимся от ₁ до ₂ из соотношений (1) и (2). Такое взаимное расположение обеспечивает минимальную связь волновода с решеткой в ее начале (₁) и максимальную в конце (₂). Величина ₁ соответствует оптическому пути кратному /2 между решеткой 1а и подложкой 3, т.е. противофазному сложению в пространстве рассмотренных волн. Величина ₂ соответствует синфазному сложению. Амплитудное распределение на раскрыве принимает вид, близкий к косинусному. Уменьшение амплитуды поля ближнего поля излучения к концу апертуры объясняется практически полным отбором мощности от волновода решеткой.

Широкополосность антенны и конструктивная жесткость, необходимая для осуществления быстрого сканирования, достигается путем применения в качестве излучающей структуры двух идентичных, параллельно расположенных двумерных решеток 1а и 1b (фиг.2). Тогда открытые резонаторы образуются между решеткой 1а и подложкой 3 и между решеткой 1b и подложкой 3 (принимая во внимание, что решетки достаточно прозрачны для падающей пространственной волны). При условии, что расстояние между решетками 1а и 1b удовлетворяет соотношению (4), изменение рабочей длины волны в пределах нескольких процентов приводит к одновременному нарастанию резонансных колебаний в одном резонаторе и уменьшению колебаний в другом. В результате общая эффективность преобразования поверхностной волны в объемную сложной решеткой в полосе частот остается неизменной.

Работоспособность антенны возможна при различных параметрах m=0, 1, 2. Повышение эффективности отбора мощности решеткой при m=1, 2 до рабочих значений достигается путем установки дополнительного слоя диэлектрика 6 на внутреннюю поверхность излучающей структуры 1 (фиг.3). Толщина d₁ дополнительного слоя диэлектрика 6 не должна превышать толщину d основного слоя диэлектрика 2. При вычислении величин ₁ и ₂ вместо величины d в формулы (1) и (2) необходимо подставлять сумму (d+d₁).

Экспериментальная проверка заявляемой сканирующей антенной решетки диаметром 100 см при работе в диапазоне 9,5 ГГц показала, что антенна обеспечивает сканирование в угле ± 60°, при этом нелинейность зависимости угла отклонения ДН от угла поворота излучающей структуры становится заметной только при углах отклонения луча более ± 40°. Заявляемая антенная решетка не содержит дорогостоящих элементов управления сканированием и имеет при прочих равных параметрах массу в 2 раза меньше по сравнению, например, с частотно-сканирующими антенными решетками.

Формула изобретения

1. Сканирующая антенная решетка, содержащая излучающую структуру в виде двумерной решетки из отверстий в металлическом диске и источник плоского фронта волны в виде слоя диэлектрика на металлическом основании и возбудителя слоя диэлектрика, отличающаяся тем, что возбудитель слоя диэлектрика выполнен в виде открытого конца плоского волновода с расширением верхней стенки рупорного типа, излучающая структура расположена с зазором от поверхности слоя диэлектрика, линейно уменьшающимся в направлении от возбудителя слоя диэлектрика к другому концу слоя диэлектрика от до , где m=0, 1, 2, …; d – толщина слоя диэлектрика; – диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика, а излучающая структура выполнена с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной ее плоскости, при этом угол отклонения диаграммы направленности связан с углом поворота излучающей структуры соотношением

=arcsin((/l)sin),

где l – период решетки в направлении от возбудителя к концу слоя диэлектрика при =0°, – длина волны.

2. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что излучающая структура состоит из двух идентичных параллельно расположенных двумерных решеток, при этом расстояние между решетками составляет w=/4+n/2, где n=0, 1, 2, ….

3. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность двумерной решетки покрыта слоем диэлектрика, толщина которого не превышает толщину слоя диэлектрика источника плоского фронта волны.

4. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что отверстия в металлическом диске имеют круглую форму.

РИСУНКИ