Патент на изобретение №2349006

(54) АНТЕННАЯ СИСТЕМА ДВУХКООРДИНАТНОГО ПЕЛЕНГАТОРА

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в активных и пассивных системах радиопеленгации по двум угловым координатам в наземных и бортовых устройствах, у которых антенная система содержит плоскую антенную решетку с пластинчатыми излучателями. Техническим результатом изобретения является стабилизация направления пеленга по двум угловым координатам при радиопеленгации в диапазоне частот. Антенная система двухкоординатного пеленгатора содержит пластинчатые излучатели и системы их синфазной запитки в двух подрешетках, которые размещены по одну сторону первой ортогональной прямой и выполнены зеркально симметричными относительно пластинчатых излучателей в двух подрешетках, расположенных по другую сторону первой ортогональной прямой. Пластинчатые излучатели и системы их синфазной запитки в двух подрешетках, расположенные по одну сторону второй ортогональной прямой, выполнены зеркально симметричными относительно пластинчатых излучателей в двух подрешетках, расположенных по другую сторону второй ортогональной прямой. Две фидерные линии соединяют высокочастотные входы фазового коммутатора с выходами систем синфазной запитки двух подрешеток, расположенных по одну сторону второй ортогональной прямой. Устройство содержит 180-градусные фазосдвигающие вставки. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в активных и пассивных системах радиопеленгации по двум угловым координатам в наземных и бортовых устройствах, у которых антенная система содержит плоскую антенную решетку с пластинчатыми (полосковыми) излучателями. Изобретение может быть использовано, например, в антенной системе метеорологического радиолокатора, предназначенного для автоматического сопровождения по двум угловым координатам метеорологических радиозондов и метеорологических ракет.

Известен метеорологический радиолокатор, антенная система которого выполнена в виде параболического отражателя и облучателя на основе линейно поляризованного полуволнового вибратора, запитанного коаксиальной линией. (Система радиозондирования атмосферы «Метеорит» – РКЗ в кн. В.Э. Иванов и др. «Радиозондирование атмосферы», Екатеринбург, 2004 г., стр.11).

При перемещении облучателя в фокальной плоскости параболического отражателя обеспечивается коническое сканирование диаграммы направленности с сохранением неподвижной ориентации плоскости поляризации. При приеме сигнала от метеорологического радиозонда в системе управления вырабатывается сигнал ошибки, позволяющий определить угловые координаты метеорологического радиозонда.

В связи с тем, что полуволновой вибратор является несимметричным устройством, положение его фазового центра в плоскости электрического вектора в диапазоне частот изменяется, что приводит к появлению ошибки в определении угловых координат направления на метеорологический радиозонд.

Другим недостатком является возможность срыва автоматического сопровождения радиозонда за счет кросс-поляризационных лепестков диаграммы направленности параболического отражателя.

Известна антенная система с параболическим отражателем метеорологического радиолокатора, в которой применено коническое сканирование диаграммы направленности за счет вращения эллиптически поляризованного спирального облучателя со смещенным относительно оси вращения фазовым центром. (См. А.А.Ефимов «Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1», М., Гидрометеоиздат, 1989 г., стр.6-7, рис.1.1).

Антенная система позволяет сохранить стабильное направление пеленга в диапазоне частот. Недостатком антенной системы является снижение энергетического потенциала метеолокатора на ЗдБ, т.к. линейно поляризованный сигнал метеорологического радиозонда принимается эллиптически поляризованной антенной системой метеолокатора. Другим недостатком является дополнительная ошибка в определении направления пеленга из-за сигнала с двойной частотой сканирования. Ошибка появляется в случае, если поляризация спирального облучателя отличается от чисто круговой. Система электромеханического сканирования, используемая в метеолокаторе, энергоемка, имеет большой вес.

Известна антенная система метеолокатора, содержащая четырехсегментную антенную решетку, малую антенную решетку, расположенную в центре антенной решетки, системы их синфазной запитки, диаграммообразующие системы и приемопередатчик. (Патент на изобретение №2161847 «Антенная система метеолокатора», авторы В.Э.Иванов и др. – Прототип).

Антенная система метеолокатора имеет линейную поляризацию и используется для пеленгования метеорологического радиозонда по двум угловым координатам. Недостатком антенной системы является неконтролируемый уход направления пеленга в плоскости электрического вектора в диапазоне частот. Это вызвано тем, что пластинчатые излучатели с одной точкой запитки, используемые в сегментах антенной решетки, имеют в диапазоне частот нестабильные амплитудно-фазовые распределения (АФР) возбуждения. Ошибка появляется, когда в процессе зондирования атмосферы из-за резкого перепада температуры внешней среды изменяется частота передатчика метеорологического радиозонда.

Технической задачей изобретения является стабилизация направления пеленга по двум угловым координатам при радиопеленгации источника радиоизлучения в диапазоне частот, например при изменении частоты метеорологического радиозонда при автосопровождении его метеолокатором.

Для решения поставленной задачи предлагается антенная система двухкоординатного пеленгатора, содержащая антенную решетку, выполненную из расположенных в одной плоскости над металлическим основанием линейно поляризованных пластинчатых излучателей, каждый с одной точкой запитки, сгруппированных в 4 подрешетки с одинаковым количеством пластинчатых излучателей, соединенных в каждой подрешетке с системами синфазной запитки, причем подрешетки расположены в секторах, образованных первой и второй ортогональными прямыми, совпадающими с плоскостью антенной решетки, а направление принимаемых пластинчатыми излучателями Е и Н векторных составляющих электромагнитного поля совпадает с направлением первой и второй ортогональной прямой соответственно, фазовый коммутатор с одним высокочастотным выходом, четырьмя высокочастотными входами и управляющим входом, блок управления коммутацией фазы, причем выходы систем синфазной запитки соединены фидерными линиями равной электрической длины с высокочастотными входами фазового коммутатора, а управляющий вход соединен с блоком управления коммутацией фазы, отличающаяся тем, что пластинчатые излучатели и системы их синфазной запитки в двух подрешетках, размещенных по одну сторону первой ортогональной прямой, выполнены зеркально симметричными относительно пластинчатых излучателей и систем их синфазной запитки в двух подрешетках, расположенных по другую сторону первой ортогональной прямой, пластинчатые излучатели и системы их синфазной запитки в двух подрешетках, расположенных по одну сторону второй ортогональной прямой, выполнены зеркально симметричными относительно пластинчатых излучателей и систем их синфазной запитки в двух подрешетках, расположенных по другую сторону второй ортогональной прямой, а в две фидерные линии, соединяющие высокочастотные входы фазового коммутатора с выходами систем синфазной запитки двух подрешеток, расположенных по одну сторону второй ортогональной прямой, дополнительно включены 180-градусные фазосдвигающие вставки.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема антенной системы двухкоординатного пеленгатора. Антенная система содержит антенную решетку, выполненную в виде четырех подрешеток I, II, III, IV, размещенных в секторах, образованных ортогональными прямыми 1, 2, коаксиально-полосковые переходы 3, фазовый коммутатор 4 с высокочастотным выходом 5 и высокочастотными входами 6, низкочастотный блок 7 управления коммутацией фазы, фидерные линии 8 равной электрической длины, фазосдвигающие 180-градусные вставки 9.

Выходы систем синфазной запитки подрешеток I, II, III, IV через коаксиально-полосковые проходы 3 и фидерные линии 8 соединены с высокочастотными входами 6 фазового коммутатора 4. Высокочастотный выход 5 фазового коммутатора 4 соединен с входом приемной системы (на структурной схеме не показана). Низкочастотный блок 7 управления коммутацией фазы соединен с фазовращателями, входящими в состав фазового коммутатора 4 (на структурной схеме не показаны).

В фидерные линии 8, соединяющие высокочастотные входы 6 фазового коммутатора 4 с подрешетками I, II, включены фазосдвигающие 180-градусные вставки 9.

На фиг.2 представлен внешний вид двух вариантов антенной решетки и систем синфазной запитки.

Антенная решетка состоит из пластинчатых излучателей 10, сгруппированных в подрешетки I, II, III, IV с одинаковым количеством и расположением пластинчатых излучателей, полосковых систем 11 синфазной запитки, коаксиально-полосковых переходов 3, общего металлического основания 12.

В плоскости антенной решетки проведены ортогональные прямые 1, 2, направление которых совпадает с ориентацией магнитной Н и электрической Е составляющих принимаемого электромагнитного поля соответственно.

На фиг.3 представлен пример прямоугольного пластинчатого излучателя 10, размещенного над плоским металлическим основанием 12, запитанного в одной точке полосковой линией 11. Стрелками показано распределение 14 амплитуд и фаз электрического поля на фиксированной частоте вдоль излучающих кромок 13 пластинчатого излучателя 10. Положение эквивалентного фазового центра излучения обозначено поз.15.

Работа антенной системы двухкоординатного пеленгатора происходит следующим образом.

Линейно поляризованное электромагнитное поле (или одна из линейных компонент эллиптически поляризованного поля) от источника излучения с равными амплитудами принимается подрешетками I, II, III, IV (фиг.1). Высокочастотный сигнал с выхода подрешеток через коаксиально-полосковые переходы 3 и фидерные линии 8 поступает на входы 6 фазового коммутатора 4.

При определении угловых координат (пеленговании) источника излучения используется равносигнальный метод. В управляемых фазовращателях, входящих в состав фазового коммутатора 4, под воздействием сигналов управления, поступающих от блока 7, вырабатываются фазовые сдвиги, позволяющие отклонить суммарную диаграмму подрешеток I, II, III, IV от нормали к плоскости антенной решетки. Отклонение производится поочередно в обе стороны от нормали последовательно в направлении электрического вектора Е (направление прямой 2) и в направлении магнитного вектора Н (в направлении прямой 1). При этом в фазовращателях фазового коммутатора 4 формируются следующие фазовые сдвиги:

первое положение отклоненной в плоскости Е суммарной диаграммы направленности для подрешеток I, II – 0° и для подрешеток III, IV – °;

второе положение отклоненной в плоскости Е суммарной диаграммы направленности для подрешеток I, II – ° и для подрешеток III, IV – 0°;

первое положение отклоненной в плоскости Н суммарной диаграммы направленности для подрешеток I, III – 0° и для подрешеток II, IV – °;

второе положение отклоненной в плоскости Н суммарной диаграммы направленности для подрешеток I, III – ° и для подрешеток II, IV – 0°.

Величина ° определяет угол отклонения суммарной диаграммы направленности от нормали к плоскости антенной решетки.

В результате формируется равносигнальное направление, совпадающее с нормалью к плоскости антенной решетки. В приемной системе, при отклонении направления на источник излучения от равносигнального направления вырабатывается сигнал ошибки, величина и фаза которого зависят от величины и направления отклонения.

Угловая стабильность направления пеленга в диапазоне частот зависит от сохранения идентичности амплитудно-фазового распределения (АФР) электромагнитного поля на пластинчатых излучателях 10 (фиг.2) и системах 11 их синфазной запитки в подрешетках I, II, III, IV. При возникновении в диапазоне частот асимметричных искажений АФР в подрешетках происходит неконтролируемое смещение направления пеленга от нормали. Угловое положение источника излучения будет определяться с ошибкой.

Амплитудно-фазовое распределение в подрешетках I, II, III, IV определяется распределением амплитуд и фаз возбуждения пластинчатых излучателей 10, которое формируется системой 11 синфазной запитки, распределением возбуждающего поля по излучающим кромкам пластинчатых излучателей 10 и паразитным излучением полосковых проводников системы 11 синфазной запитки.

Амплитуда электрического поля 14 (фиг.3) вдоль излучающих кромок 13 пластинчатого излучателя 10 распределена неравномерно. Амплитуда на кромке 13, примыкающей к запитывающей полосковой линии 11, выше, чем на противоположной кромке 13. При этом, так как пластинчатый излучатель 11 является узкополосной резонансной системой, соотношение между амплитудами электрического поля 14 на противоположных кромках 13 в диапазоне частот изменяется. Происходит смещение эквивалентного фазового центра возбуждения 15 пластинчатого излучателя 10 и асимметричное изменение АФР в подрешетках I, II, III, IV. Дополнительную асимметрию вносит паразитное возбуждение запитывающей полосковой линии 11.

Для обеспечения стабильного положения направления пеленга в диапазоне частот в направлении ориентации вектора электрического поля Е в подрешетках I, II пластинчатые излучатели 10 (фиг.2) и системы 11 их синфазной запитки расположены зеркально симметрично относительно пластинчатых излучателей 10 и систем 11 их синфазной запитки соответственно в подрешетках III, IV. Осевой линией, относительно которой выполняется зеркальная симметрия, является прямая 1, расположенная в плоскости антенной решетки. При этом обеспечивается сохранение зеркальной симметрии АФР и сохранение стабильности направления пеленга в плоскости электрического вектора Е во всем диапазоне рабочих частот пеленгатора.

Встречная ориентация пластинчатых излучателей 10 в подрешетках I, II относительно пластинчатых излучателей 10 в подрешетках III, IV эквивалентна введению 180° фазового сдвига между этими подрешетками во всем рабочем диапазоне частот пеленгатора. Для компенсации этого сдвига в фидерные линии 8 (фиг.1), соединяющие подрешетки I, II с входами 6 фазового коммутатора 4, введены широкополосные 180-градусные фазосдвигающие вставки 9.

Для обеспечения стабильного положения направления пеленга в диапазоне частот в направлении ориентации вектора магнитного поля Н в подрешетках I, III пластинчатые излучатели 10 (фиг.2) и системы 11 их синфазной запитки расположены зеркально симметрично относительно пластинчатых излучателей 10 и систем 11 их синфазной запитки соответственно в подрешетках II, IV. Осевой линией, относительно которой выполняется зеркальная симметрия, является прямая 2, расположенная в плоскости антенной решетки ортогонально относительно ориентации прямой 1.

Зеркальная симметрия паразитного излучения систем 11 синфазного питания (коаксиально-полосковых переходов 3, делителей и отрезков полосковых линий) позволяет исключить влияние этих факторов, искажающих АФР, на стабильность положения направления пеленга.

Попарная идентичность взаимного влияния (вносимого импеданса) между подрешетками I, II и III, IV, подрешетками I, III и II, IV обеспечивают одинаковые частотные зависимости амплитудно-фазовых характеристик согласования каждой подрешетки.

Зеркальную симметрию размещения систем 11 синфазного питания необходимо сохранить и в случае их размещения вне зоны излучения антенной решетки (с обратной стороны металлического основания 12).

Предложенный двухкоординатный пеленгатор может быть использован помимо систем метеозондирования в высокоточных системах наведения, широкополосной пеленгации и др. Возможность применения в устройствах различного назначения обеспечивает также плоская конструкция, применение технологии печатных схем, хорошие массогабаритные характеристики.

Формула изобретения

Антенная система двухкоординатного пеленгатора, содержащая: антенную решетку, выполненную из расположенных в одной плоскости над металлическим основанием линейно поляризованных пластинчатых излучателей, каждый с одной точкой запитки, сгруппированных в 4 подрешетки с одинаковым количеством пластинчатых излучателей, соединенных в каждой подрешетке с системами синфазной запитки, причем подрешетки расположены в секторах, образованных первой и второй ортогональными прямыми, совпадающими с плоскостью антенной решетки, а направление принимаемых пластинчатыми излучателями Е и Н векторных составляющих электромагнитного поля совпадает с направлением первой и второй ортогональной прямой соответственно, фазовый коммутатор с одним высокочастотным выходом, четырьмя высокочастотными входами и управляющим входом, блок управления коммутацией фазы, причем выходы систем синфазной запитки соединены фидерными линиями равной электрической длины с высокочастотными входами фазового коммутатора, а управляющий вход соединен с блоком управления коммутацией фазы, отличающаяся тем, что пластинчатые излучатели и системы их синфазной запитки в двух подрешетках, размещенных по одну сторону первой ортогональной прямой, выполнены зеркально симметричными относительно пластинчатых излучателей и систем их синфазной запитки в двух подрешетках, расположенных по другую сторону первой ортогональной прямой, пластинчатые излучатели и системы их синфазной запитки в двух подрешетках, расположенных по одну сторону второй ортогональной прямой, выполнены зеркально симметричными относительно пластинчатых излучателей и систем их синфазной запитки в двух подрешетках, расположенных по другую сторону второй ортогональной прямой, а в две фидерные линии, соединяющие высокочастотные входы фазового коммутатора с выходами систем синфазной запитки двух подрешеток, расположенных по одну сторону второй ортогональной прямой, дополнительно включены 180-градусные фазосдвигающие вставки.

РИСУНКИ