Патент на изобретение №2359375

(54) ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к устройствам приема, передачи электромагнитной энергии. Техническим результатом является повышение коэффициента усиления антенны и помехозащищенности радиолокационной станции. Антенна содержит полусферический зеркальный отражатель (5), основной облучатель (ОО) в виде двух пар линейных антенных решеток (1-4) и дополнительный облучатель (ДО) в виде двух пар одиночных (6-9) излучателей. ОО установлен в максимуме фокусировки поля полусферического зеркала в окрестности параксиального фокуса. Первая пара (7, 8) одиночных излучателей ДО расположена перед зеркальным отражателем. Вторая пара (6, 9) одиночных излучателей расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой расположены излучатели первой пары, а их апертуры удалены от зеркала на расстояние /2 (где – длина волны в свободном пространстве). Линейные антенные решетки (1-4) соединены попарно на симметричных (10, 11) делителях мощности (ДМ) первого порядка ОО, выходы ДМ каждой пары антенных решеток через фазовращатель (12, 13) и аттенюатор (14, 15) соединены с входами симметричного (16) ДМ второго порядка ОО, выход которого соединен с первым входом несимметричного (28) ДМ. Выходы (6-9) одиночных излучателей через фазовращатели (17-20) и аттенюаторы (21-24) соединены с входами симметричных (25, 26) ДМ первого порядка ДО, выходы которых соединены с входами симметричного (27) ДМ второго порядка ДО, выход которого подсоединен к второму входу несимметричного (28) ДМ с коэффициентом деления 0,3/0,7. 4 ил.

Изобретение относится к устройствам приема, передачи электромагнитной энергии и может найти применение в качестве антенн радиолокационных станций и антенн спутниковой связи.

Известна сферическая антенна для приема сигналов геостационарных спутников (патент РФ 2065236, МПК H01Q 19/17, опубл. 30.08.1993), состоящая из сферического зеркала и облучателей по числу геостационарных спутников, установленных на концентричной сферическому зеркалу направляющей. Облучатели состоят из отрезков круглых волноводов, выполненных с возможностью телескопического изменения их длины, и отрезков гибких волноводов.

Основным недостатком данной антенной системы является возбуждение только центральной части зеркала, в пределах которой лучи испытывают однократное отражение от зеркала, вследствие чего коэффициент усиления антенны остается низким.

Основной недостаток антенны – высокий уровень боковых лепестков диаграммы направленности, следовательно, низкая помехозащищенность радиолокационной станции.

Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является сферическая зеркальная антенна (патент РФ 68786, МПК H01Q 19/17, опубл. 27.11.2007), состоящая из полусферического зеркала, рупорного облучателя, расположенного в окрестности параксиального фокуса зеркала, дополнительного облучателя в виде двух прямоугольных волноводов с открытыми концами, изогнутых в противоположные стороны в плоскости вектора , широкие стенки волноводов находятся в постоянном контакте с вогнутой поверхностью зеркала. Выходы волноводов через фазовращатели и аттенюаторы соединены на Е-тройнике, а выход рупорного облучателя через фазовращатель и аттенюатор соединен с выходом Е-тройника на волноводном Н-тройнике.

К недостаткам вышеописанной антенны можно отнести недостаточно высокий коэффициент усиления антенны из-за возбуждения центральной области раскрыва полусферического зеркала рупорным источником, возбуждения краевых областей раскрыва только в одной плоскости.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение коэффициента усиления антенны и помехозащищенности радиолокационной станции.

Техническим результатом изобретения является увеличение размера области возбуждения раскрыва антенны и снижение уровня боковых лепестков диаграммы направленности.

Для получения необходимого технического результата в известной сферической зеркальной антенне, включающей полусферический зеркальный отражатель, основной облучатель с фазовым центром, расположенным в параксиальном фокусе, дополнительный облучатель в виде одиночных излучателей, ориентированных так, что их излучение направлено вдоль поверхности отражателя в противоположные стороны, аттенюаторы, фазовращатели, делители мощности, основной облучатель выполнен в виде линейных антенных решеток, соединенных попарно на симметричных делителях мощности первого порядка и расположенных вдоль продольной оси полусферического зеркального отражателя в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, выходы делителей мощности каждой пары антенных решеток через фазовращатель и аттенюатор соединены с входами симметричного делителя мощности второго порядка основного облучателя, выход которого соединен с первым входом несимметричного делителя мощности с коэффициентом деления 0,3/0,7. Дополнительный облучатель оснащен второй парой одиночных излучателей, расположенных в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой расположена первая пара излучателей, причем апертуры второй пары излучателей удалены от зеркального отражателя на расстояние /2 (где – длина волны в свободном пространстве), выходы излучателей через фазовращатели и аттенюаторы соединены с входами симметричных делителей мощности первого порядка дополнительного облучателя, выходы которых соединены с входами симметричного делителя мощности второго порядка дополнительного облучателя, выход которого подсоединен ко второму входу несимметричного делителя мощности.

4, с.77-78) позволяет получить амплитудно-фазовое распределение электрического поля вдоль оси идеально-проводящего полусферического отражателя произвольного электрического радиуса для заданного амплитудно-фазового распределения поля на раскрыве. При этом на оси отражателя имеется два максимума фокусировки энергии. Первый основной максимум находится в окрестности параксиального фокуса f=а/2 (а – радиус зеркала), обусловлен фокусировкой лучей однократного отражения от центральной области зеркала и имеет протяженный вид. Фокусировка поля в этой области достаточно хорошо изучена и используется для коррекции сферической аберрации. Второй интерференционный максимум имеет меньшую протяженность и характеризует фокусирующие свойства краевых областей раскрыва полусферического зеркала, где лучи испытывают многократные отражения и распространяются поверхностные электромагнитные волны типа «шепчущей галереи».

Поэтому для достижения технического результата в зеркальной антенне необходимо использовать два облучателя: основной, возбуждающий центральную область раскрыва антенны, и дополнительный, возбуждающий его краевые области. Для этого основной облучатель в виде линейных антенных решеток устанавливается в окрестности параксиального фокуса f=а/2 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а дополнительный – в виде двух пар одиночных излучателей устанавливается во взаимно перпендикулярных плоскостях, соответствующих плоскостям расположения антенных решеток основного облучателя, причем первая пара устанавливается непосредственно перед зеркальным отражателем, а вторая пара удалена от него на расстояние /2.

Применение в качестве основного облучателя антенных решеток вместо рупорного облучателя позволяет повысить коэффициент усиления антенны и увеличить область синфазного возбуждения раскрыва с минимальными фазовыми искажениями поля. Применение в составе дополнительного облучателя второй пары одиночных излучателей приводит к дополнительному возбуждению краевых областей раскрыва антенны в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения первой пары одиночных излучателей. Применение несимметричного делителя мощности между основным и дополнительным облучателями приводит к рациональному распределению мощности между областью однократного отражения лучей (70%) и областью многократного отражения (30%). За счет выбора амплитудно-фазовых соотношений между основным и дополнительным облучателями с помощью аттенюаторов и фазовращателей, а также их расположения во внутренней области зеркала обеспечивается повышение коэффициента усиления зеркальной антенны, т.е. дальности действия радиолокационной станции, и снижение уровня боковых лепестков диаграммы направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, т.е. повышение помехозащищенности радиолокационной станции.

На прилагаемых к заявке графических материалах изображены:

на фиг.1 – предлагаемая зеркальная антенна;

на фиг.2 – амплитудное и фазовое распределение радиальной составляющей вектора напряженности электрического поля вдоль оси полусферического зеркала радиуса а=22,5 см на длине волны =3,14 см;

на фиг.3 – эскиз системы возбуждения сферической зеркальной антенны;

на фиг.4 – нормированная диаграмма направленности предлагаемой сферической зеркальной антенны.

На графических материалах приняты следующие обозначения:

1-4 – линейные антенные решетки основного облучателя;

5 – полусферический отражатель;

6-9 – одиночные излучатели дополнительного облучателя;

10, 11 – симметричные делители мощности первого порядка основного облучателя;

12, 13 – фазовращатели основного облучателя;

14, 15 – аттенюаторы основного облучателя;

16 – симметричный делитель мощности второго порядка основного облучателя;

17-20 – фазовращатели дополнительного облучателя;

21-24 – аттенюаторы дополнительного облучателя;

25, 26 – симметричные делители мощности первого порядка дополнительного облучателя;

27 – симметричный делитель мощности второго порядка дополнительного облучателя;

28 – несимметричный делитель мощности с коэффициентом деления 0,3/0,7;

29 – основной максимум фокусировки поля;

30 – дополнительный максимум фокусировки поля;

31 – нормированная диаграмма направленности предлагаемой сферической зеркальной антенны, возбуждаемой основным и дополнительным облучателями;

32 – нормированная диаграмма направленности предлагаемой сферической зеркальной антенны, возбуждаемой основным облучателем.

Предлагаемая зеркальная антенна состоит из полусферического отражателя 5 (фиг.1), основного облучателя в виде двух пар линейных антенных решеток 1-4 и дополнительного облучателя в виде двух пар одиночных излучателей 6-9. Линейные антенные решетки основного облучателя соединены с входами симметричных делителей 10, 11 мощности первого порядка основного облучателя, выходы которых через фазовращатели 12, 13 и аттенюаторы 14, 15 подсоединены к входам симметричного делителя 16 мощности второго порядка основного облучателя, выход которого соединен с первым входом несимметричного делителя мощности 28. Выходы одиночных излучателей 7, 8 первой пары и второй пары (6, 9) через фазовращатели 17-20 и аттенюаторы 21-24 соединены с входами симметричных делителей 25, 26 мощности первого порядка дополнительного облучателя, выходы которых соединены с входами симметричного делителя 27 мощности второго порядка дополнительного облучателя, выход которого подсоединен ко второму входу несимметричного делителя мощности с коэффициентом деления 0,3/0,7.

В сферической системе координат (r,,) радиальная (E_r) и тангенциальная (Е4, с.77-78):

где А – постоянные (весовые) коэффициенты; – присоединенные функции Лежандра; _m(_n) – собственные числа задачи (постоянные распространения волн); – весовые коэффициенты; k=2/ – волновое число.

Анализ амплитудного и фазового распределений радиальной составляющей вектора напряженности электрического поля вдоль оси идеально проводящего полусферического отражателя радиусом а=22,5 см, рассчитанных по формуле (1) и показанных на фиг.2, показывает возможность возбуждения раскрыва полусферического зеркала комбинированным облучателем, состоящим из основного, расположенного в максимуме поля 29 в окрестности параксиального фокуса f=а/2, и дополнительного, находящегося в интерференционном максимуме 30 и возбуждающего краевые области раскрыва. Амплитудное распределение компоненты кроме основных максимумов фокусировки поля имеет другие интерференционные максимумы, на которых фазовое распределение получает дополнительный сдвиг фазы Ф_r на ±. Расчеты по формуле (2) для тангенциальной составляющей Е вектора напряженности электрического поля показывают, что распределение поля аналогично распределению радиальной составляющей поля, за исключением того, что второй интерференционный максимум отстоит от вогнутой поверхности зеркала на расстояние /2 в широком диапазоне практических электрических радиусов зеркальных антенн 2·а/=10100.

В пределах интерференционного максимума 29 в точке r₁, а также при переходе от максимума 29 к интерференционному максимуму 30 скачок фазы составляет . Интервал (r₁, r₂) определяет размер линейной антенной решетки, возбуждающей центральную область зеркала с диаметром 1,4·а.

Предлагаемая система возбуждения полусферического зеркального отражателя состоит из основного облучателя в виде четырех линейных антенных решеток 1-4 (фиг.3), расположенных симметрично продольной оси oz полусферического зеркала 5 (фиг.1) в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в пределах интервала {r₁, r₂), и дополнительного облучателя в виде четырех одиночных излучателей 6-9 (фиг.3), попарно расположенных непосредственно вблизи вогнутой отражающей стенки зеркала (пара излучателей 7, 8, расположенных в заданной плоскости, например, вертикальной) и удаленных от нее на расстояние /2 (пара излучателей 6, 9, расположенных в плоскости, перпендикулярной плоскости первой пары, например, горизонтальной).

Основной облучатель может иметь микрополосковую конструкцию и состоять из четырех эквидистантных линейных антенных решеток с печатными излучателями, представлять собой волноводно-щелевую решетку с прорезанными щелями в широких и узких стенках прямоугольного волновода или иметь иную конструкцию, обеспечивающую формирование заданного амплитудно-фазового распределения поля по раскрыву в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В первом варианте микрополосковые антенные решетки располагаются в виде «коробочки» симметрично продольной оси oz, причем для создания вертикальной поляризации поля антенны поляризация излучаемого (принимаемого) поля излучателей, расположенных на подложках в вертикальной плоскости 2, 3 (фиг.3), противофазна и вектор поляризации поля равен , а поляризация излучаемого (принимаемого) поля излучателей, расположенных на подложках в горизонтальной плоскости 1, 4, синфазна и вектор поляризации поля равен .

Введение дополнительного облучателя в системе возбуждения сферической зеркальной антенны позволяет увеличить коэффициент усиления антенны на 8-10%, снизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности до уровня -36 дБ, таким образом повысить помехозащищенность радиолокационной станции и дальность ее действия.

За счет регулирования амплитудно-фазовых соотношений между основным облучателем и излучателями дополнительного облучателя на длине волны =3 см при горизонтальной поляризации поля уровень боковых лепестков 31 (фиг.4) диаграммы направленности ( – угол поворота антенны в горизонтальной плоскости) сферической зеркальной антенны с диаметром раскрыва 31 см не превышает -36 дБ в горизонтальной плоскости. По сравнению с шириной диаграммы направленности 32 сферической зеркальной антенны, возбуждаемой основным облучателем, при возбуждении раскрыва антенны основным и дополнительным облучателями, ширина диаграммы направленности уже на 1,0° и составляет 6,0°, коэффициент усиления антенны повышается на 8-10%.

Зеркальная антенна работает в режиме приема следующим образом, Электромагнитные волны, отраженные от центральной области зеркала 5, принимаются четырьмя линейными антенными решетками 1-4 основного облучателя, попарно расположенными в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Электромагнитные волны, отраженные от краевых областей зеркала, принимаются одиночными излучателями 6-9 дополнительного облучателя, попарно расположенными в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, соответствующих плоскостям расположения антенных решеток основного облучателя. Сигналы с выходов линейных антенных решеток 1-4 поступают на входы симметричных делителей 10, 11 мощности первого порядка основного облучателя и с их выходов поступают на фазовращатели 12, 13 и аттенюаторы 14, 15, на которых регулируется фаза и амплитуда сигналов. С выходов аттенюаторов 14, 15 сигналы поступают на входы симметричного делителя 16 мощности второго порядка основного облучателя, с выхода которого поступают на первый вход несимметричного делителя мощности 28. Сигналы с выходов одиночных излучателей 6-9 дополнительного облучателя поступают на фазовращатели 17-20 и аттенюаторы 21-24, на которых регулируются амплитудно-фазовые соотношения сигналов дополнительного облучателя по отношению к сигналам основного облучателя. С выходов аттенюаторов 21-24 дополнительного облучателя сигналы суммируются на симметричных делителях 25, 26 мощности первого порядка дополнительного облучателя и затем суммируются на делителе 27 мощности второго порядка дополнительного облучателя. С выхода делителя мощности 27 сигналы поступают на второй вход несимметричного делителя мощности 28 с коэффициентом деления 0,3/0,7. Амплитуда сигналов на выходе одиночных излучателей 7, 8, расположенных в вертикальной плоскости, амплитуда сигналов на выходе одиночных излучателей 6, 9 дополнительного облучателя, расположенных в горизонтальной плоскости, и амплитуда сигналов на выходах делителей 10, 11 мощности первого порядка основного облучателя регулируются так, чтобы уровень основных лепестков диаграмм направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях, возбуждаемой парами одиночных излучателей 7, 8 и 6, 9, был равен уровню первых боковых лепестков диаграммы направленности антенны, возбуждаемой основным облучателем в соответствующих плоскостях. Фаза сигналов на выходе одиночных излучателей 7, 8, расположенных в вертикальной плоскости, фаза сигналов на выходе одиночных излучателей 6, 9, расположенных в горизонтальной плоскости, и фаза сигналов на выходах делителей 10, 11 мощности первого порядка основного облучателя регулируются так, чтобы фаза основных лепестков диаграмм направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях, возбуждаемой парами одиночных излучателей 7, 8 и 6, 9, была противоположной фазе первых боковых лепестков диаграммы направленности антенны, возбуждаемой основным облучателем в соответствующих плоскостях. Этим достигается уменьшение уровня бокового излучения сферической зеркальной антенны и повышение помехозащищенности радиолокационной станции.

В режиме излучения зеркальная антенна работает аналогично.

На экспериментальной установке за счет выбора амплитудных и фазовых соотношений между основным и дополнительным облучателями получена нормированная диаграмма направленности 31 сферической зеркальной антенны ( – угол поворота антенны в горизонтальной плоскости) с уровнем боковых лепестков не выше -36 дБ. В экспериментальной установке диаметр раскрыва зеркала составлял 30 см. Раскрыв антенны облучался на длине волны =3 см из дальней зоны горизонтально поляризованным полем.

Формула изобретения

Зеркальная антенна, включающая полусферический зеркальный отражатель, основной облучатель с фазовым центром, расположенным в параксиальном фокусе, дополнительный облучатель в виде одиночных излучателей, расположенных перед зеркальным отражателем и ориентированных так, что их излучение направлено вдоль поверхности отражателя в противоположные стороны, аттенюаторы, фазовращатели, делители мощности, отличающаяся тем, что основной облучатель выполнен в виде линейных антенных решеток, соединенных попарно с симметричными делителями мощности первого порядка и расположенных вдоль продольной оси полусферического зеркального отражателя в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, выходы симметричных делителей мощности первого порядка основного облучателя каждой пары антенных решеток через фазовращатель и аттенюатор соединены с входами симметричного делителя мощности второго порядка основного облучателя, выход которого соединен с первым входом несимметричного делителя мощности, а дополнительный облучатель оснащен второй парой одиночных излучателей, расположенных в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой расположена первая пара излучателей, соответствующих плоскостям расположения антенных решеток основного излучателя, причем апертуры второй пары излучателей удалены от зеркального отражателя на расстояние /2 (где – длина волны в свободном пространстве), выходы одиночных излучателей через фазовращатели и аттенюатора подсоединены к входам симметричных делителей мощности первого порядка дополнительного облучателя, выходы которых соединены с облучателем, выход которого подсоединен ко второму входу несимметричного делителя мощности с коэффициентом деления 0,3/0,7.

РИСУНКИ