RU201664U1

RU201664U1 - NARROW DIRECTIONAL WAVEGUIDE ANTENNA

Info

Publication number: RU201664U1
Application number: RU2020127085U
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Сучков; Александр Васильевич Великотский; Роман Сергеевич Гвоздарев
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2020-12-28

Abstract

Полезная модель относится к радиотехнической промышленности, в частности к технике сверхвысоких частот, и может применяться в радиолокационных системах кругового обзора с высоким разрешением по азимуту и дальности.Техническим результатом является расширение рабочей полосы частот и устранение частотной зависимости углового положения главного луча диаграммы направленности без увеличения габаритов антенны.Указанный технический результат достигается за счет того, что узконаправленная волноводная антенна состоит из расширяющегося рупора и линейной антенной решетки с параллельным возбуждением, реализованной в виде N-канальной волноводной распределительной системы на основе волноводных тройников и направленных ответвителей, выходы которой соединены с входами N одинаковых излучателей, размещенных в расширяющемся рупоре в продольном направлении, при этом каждый из излучателей содержит волноводный изгиб на 90° в Н-плоскости и волноводный рупор, а линейная антенная решетка выполнена в сборном фрезерованном корпусе, расположенном под расширяющимся рупором параллельно его нижней стенке. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.The utility model relates to the radio engineering industry, in particular to microwave technology, and can be used in radar systems for all-round visibility with high azimuth and range resolution. The technical result is the expansion of the operating frequency band and the elimination of the frequency dependence of the angular position of the main beam of the radiation pattern without increasing the dimensions The specified technical result is achieved due to the fact that the narrowly directed waveguide antenna consists of an expanding horn and a linear antenna array with parallel excitation, implemented in the form of an N-channel waveguide distribution system based on waveguide tees and directional couplers, the outputs of which are connected to the inputs of N identical emitters placed in an expanding horn in the longitudinal direction, while each of the emitters contains a 90 ° waveguide bend in the H-plane and a waveguide horn, and the linear antenna array is made in a prefabricated mill a milled casing located under the expanding horn parallel to its lower wall. 1 wp f-ly, 3 dwg

Description

Полезная модель относится к радиотехнической промышленности, в частности к технике сверхвысоких частот (СВЧ), и может применяться в радиолокационных системах (РЛС) кругового обзора с высоким разрешением по азимуту и дальности.The utility model relates to the radio engineering industry, in particular to ultra-high frequency (UHF) technology, and can be used in radar systems (radar) with a high resolution in azimuth and range.

Известна узконаправленная антенна 3-см диапазона, разработанная НПФ «Микран» (см. Буянов Ю.И., Доценко В.В. и др. Узконаправленная антенна 3-см диапазона для обзорной РЛС с высоким разрешением по дальности // Материалы 10-й Международной Конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, 13-17 сентября 2010, с. 538-539), которая образована из восьми подрешеток в виде линейных вибраторных антенных решеток с последовательным возбуждением, соединенных с входами 8-канального синфазного сумматора, формирующего спадающее амплитудное распределение в горизонтальной плоскости. Сумматор и подрешетки выполнены на основе несимметричной полосковой линии. Для формирования диаграммы направленности (ДН) в вертикальной плоскости подрешетки размещены в продольном рупоре. Основные параметры антенны: рабочая полоса частот: 9280-9580 МГц; ширина ДН на уровне минус 3 дБ: 1° в горизонтальной плоскости, 27° в вертикальной плоскости; максимальный уровень боковых лепестков (УБЛ): минус 20 дБ; длина раскрыва: 1,84 м. Недостатками такого построения являются необходимость ухудшения УБЛ для обеспечения возможности конструктивной реализации устройства, высокий уровень вносимых потерь, а также ограничение допустимой мощности, подводимой к антенне, величиной порядка 10-20 Вт, что обусловлено исполнением сумматора и подрешеток антенны на базе несимметричной полосковой линии.Known narrow-beam antenna 3-cm range, developed by NPF "Mikran" (see Buyanov Y. I., Dotsenko V. V. and others. Narrow-beam antenna 3-cm range for surveillance radar with high range resolution // Materials of the 10th International Conference "Microwave Engineering and Telecommunication Technologies", Sevastopol, September 13-17, 2010, pp. 538-539), which is formed of eight subarrays in the form of linear dipole antenna arrays with serial excitation, connected to the inputs of an 8-channel common-mode combiner, forming a falling amplitude distribution in the horizontal plane. The adder and subarrays are made on the basis of an asymmetrical strip line. To form the directional diagram (DP) in the vertical plane, the subarrays are placed in a longitudinal horn. The main parameters of the antenna: operating frequency band: 9280-9580 MHz; DN width at minus 3 dB: 1 ° in the horizontal plane, 27 ° in the vertical plane; maximum sidelobe level (UBL): minus 20 dB; aperture length: 1.84 m. The disadvantages of this arrangement are the need to worsen the UBL to ensure the possibility of constructive implementation of the device, a high level of insertion loss, as well as a limitation of the permissible power supplied to the antenna, of the order of 10-20 W, which is due to the execution of the adder and subarrays antennas based on an asymmetric strip line.

Наиболее близким аналогом, выделенным в качестве прототипа заявляемого устройства, является антенная система производства компании Тепла (Дания), состоящая из расширяющегося рупора и размещенной в нем линейной волноводной антенной решетки в виде прямоугольного волновода с прорезанными по узкой стенке переменно-наклонными щелями (21 feet High Gain Antenna System. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://manualzz.com/download/35330648. Дата обращения: 10.06.2020). Расширяющийся рупор и волноводно-щелевая решетка расположены в несущем корпусе с радиопрозрачным обтекателем, установленным со стороны излучающего раскрыва рупора. Такая конструкция позволяет сформировать ДН с максимальным УБЛ 28 дБ, шириной на уровне минус 3 дБ в горизонтальной и вертикальной плоскостях не более 0,36° и 11°, соответственно, и коэффициентом усиления не менее 38 дБ. Рабочая полоса частот 9140-9500 МГц. Максимальный уровень средней мощности, подводимой к антенне, составляет 600 Вт. Габариты антенны: 6560×410×637 мм.The closest analogue, highlighted as a prototype of the claimed device, is an antenna system manufactured by Tepla (Denmark), consisting of an expanding horn and a linear waveguide antenna array located in it in the form of a rectangular waveguide with variable-inclined slots cut along a narrow wall (21 feet High Gain Antenna System. [Electronic resource]. Access mode: https://manualzz.com/download/35330648. Date of access: 10.06.2020). The expanding horn and the waveguide-slit grating are located in the carrier body with a radio-transparent fairing installed on the side of the radiating horn opening. This design makes it possible to form a pattern with a maximum SBL of 28 dB, a width of minus 3 dB in the horizontal and vertical planes of no more than 0.36 ° and 11 °, respectively, and a gain of at least 38 dB. Operating frequency band 9140-9500 MHz. The maximum average power supplied to the antenna is 600 W. Antenna dimensions: 6560 × 410 × 637 mm.

Однако недостатком данного технического решения является отклонение углового положения главного луча ДН при изменении рабочей частоты (около 1°/100 МГц), что вызвано последовательным возбуждением щелей линейной волноводно-щелевой решетки и приводит к существенным ограничениям в части расширения полосы излучаемого/принимаемого сигнала для улучшения разрешающей способности РЛС по дальности.However, the disadvantage of this technical solution is the deviation of the angular position of the main beam of the antenna pattern when the operating frequency changes (about 1 ° / 100 MHz), which is caused by the sequential excitation of the slits of the linear waveguide-slot array and leads to significant restrictions in terms of expanding the band of the emitted / received signal to improve the radar range resolution.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель заключается в создании широкополосной узконаправленной волноводной антенны без частотной зависимости углового положения главного луча ДН с высоким коэффициентом усиления, низким УБЛ и внешними размерами не более габаритов антенны, выделенной в качестве прототипа.The problem to be solved by the claimed utility model is to create a broadband narrowly directed waveguide antenna without frequency dependence of the angular position of the main beam of the antenna pattern with a high gain, low UBL and external dimensions no more than the dimensions of the antenna selected as a prototype.

Поставленная задача решена за счет того, что узконаправленная волноводная антенна, состоит из расширяющегося рупора и линейной антенной решетки с параллельным возбуждением, реализованной в виде N-канальной волноводной распределительной системы на основе волноводных тройников и направленных ответвителей, выходы которой соединены с входами N одинаковых излучателей, размещенных в расширяющемся рупоре в продольном направлении, при этом каждый из излучателей содержит волноводный изгиб на 90° в Н-плоскости и волноводный рупор, а линейная антенная решетка выполнена в сборном фрезерованном корпусе, расположенном под расширяющимся рупором параллельно его нижней стенке.The problem is solved due to the fact that the narrowly directed waveguide antenna consists of an expanding horn and a linear antenna array with parallel excitation, implemented in the form of an N-channel waveguide distribution system based on waveguide tees and directional couplers, the outputs of which are connected to the inputs of N identical radiators, placed in the expanding horn in the longitudinal direction, while each of the emitters contains a waveguide bend of 90 ° in the H-plane and a waveguide horn, and the linear antenna array is made in a prefabricated milled housing located under the expanding horn parallel to its lower wall.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется при помощи графического материала, где:The essence of the proposed utility model is illustrated using graphic material, where:

на фиг. 1 изображен общий вид узконаправленной волноводной антенны, включающей N-канальную волноводную распределительную систему (1) линейной антенной решетки, расширяющийся рупор (2), излучатели (3) линейной антенной решетки, размещенные в рупоре (2) в продольном направлении и радиопрозрачный обтекатель (4), который установлен со стороны излучающего раскрыва рупора (2), вход антенны (5) показан условно;in fig. 1 shows a general view of a narrow directional waveguide antenna, including an N-channel waveguide distribution system (1) of a linear antenna array, an expanding horn (2), radiators (3) of a linear antenna array, placed in a horn (2) in the longitudinal direction and a radio-transparent fairing (4 ), which is installed on the side of the radiating aperture of the horn (2), the antenna input (5) is shown conditionally;

на фиг. 2 приведен разнесенный вид конструкции линейной антенной решетки, выполненной в сборном фрезерованном корпусе, где введены следующие позиционные обозначения: 1 - N-канальная волноводная распределительная система, 3 - излучатель, 5 - вход, 6 - волноводный рупор, 7 - волноводный изгиб на 90° в Н-плоскости, 8 - волноводный тройник в виде двойного Т-моста, 9 - неразвязанный волноводный тройник, 10 - волноводный направленный ответвитель с Т-щелевым элементом связи, 11-балластная нагрузка, 12 - волноводный изгиб на 90° в Е-плоскости, 13 - трансформатор сечений, 14 - дренажные отверстия;in fig. 2 shows an exploded view of the structure of a linear antenna array made in a prefabricated milled housing, where the following reference designations are introduced: 1 - N-channel waveguide distribution system, 3 - emitter, 5 - input, 6 - waveguide horn, 7 - waveguide bend at 90 ° in the H-plane, 8 - a waveguide tee in the form of a double T-bridge, 9 - an uncoupled waveguide tee, 10 - a waveguide directional coupler with a T-slot coupling element, 11-ballast load, 12 - a waveguide 90 ° bend in the E-plane , 13 - cross-sectional transformer, 14 - drainage holes;

на фиг. 3 показана конструкция узконаправленной волноводной антенны, состоящая распределительной системы (1) и излучателей (3) линейной антенной решетки, расширяющегося рупора (2), радиопрозрачного обтекателя (4), поляризационного фильтра (15), вход антенны обозначен позицией (5) на виде А. Для обеспечения требуемой жесткости и минимизации массы несущая конструкция выполнена по принципу лонжеронного крыла самолета с использованием таких силовых элементов, как шпангоут (16), стрингер (17) и лонжерон (18), адаптированных под форму антенны. Такой подход в сочетании с современными возможностями прочностных расчетов в САПР позволяет реализовать прочную и легкую конструкцию, обеспечивающую работоспособность антенны при вращении со скоростью 1 об/с и скорости ветра до 30 м/с. Для горизонтирования антенны в верхней части конструкции предусмотрена юстировочная площадка (19). Присоединительный фланец (20) антенны показан на виде А.in fig. 3 shows the design of a narrow-beam waveguide antenna, consisting of a distribution system (1) and radiators (3) of a linear antenna array, an expanding horn (2), a radio-transparent fairing (4), a polarization filter (15), the antenna input is indicated by position (5) in the form A To ensure the required rigidity and minimize mass, the supporting structure is made according to the principle of a spar wing of an aircraft using such load-bearing elements as a frame (16), a stringer (17) and a spar (18), adapted to the shape of the antenna. This approach, in combination with the modern capabilities of strength calculations in CAD, makes it possible to implement a strong and lightweight structure that ensures the performance of the antenna when rotating at a speed of 1 rev / s and a wind speed of up to 30 m / s. An adjustment platform (19) is provided for leveling the antenna in the upper part of the structure. Antenna connection flange (20) is shown in A.

Для пояснения принципа работы узконаправленной волноводной антенны рассмотрим назначение ее основных элементов.To explain the principle of operation of a narrowly directed waveguide antenna, let us consider the purpose of its main elements.

N-канальная волноводная распределительная система параллельного типа (1), возбуждающая N одинаковых излучателей (3), предназначена для формирования спадающего амплитудного распределения, обеспечивающего низкий УБЛ при требуемых ширине ДН и размере раскрыва антенны в горизонтальной плоскости. Распределительная система (1) и излучатели (3) образуют линейную антенную решетку с параллельным возбуждением, позволяющую устранить зависимость углового положения главного луча ДН от рабочей частоты. Излучатели (3) выполнены в виде согласованных с окружающим пространством волноводных рупоров (6) линейной поляризации, соединенных с выходами распределительной системы (1) через волноводный изгиб на 90° в Н-плоскости (7), и предназначены для возбуждения расширяющегося рупора (2), формирующего ДН в вертикальной плоскости. Поляризационный фильтр (15), опционально применяемый в составе антенны, обеспечивает возможность ее работы в режиме круговой поляризации. Для защиты от внешних воздействующих факторов линейная антенная решетка, расширяющийся рупор (2) и поляризационный фильтр (15) размещены в несущем корпусе с радиопрозрачным обтекателем (4), выполненном на базе композиционных материалов и установленным со стороны излучающего раскрыва рупора (2). Вход антенны выполнен в виде прямоугольного волновода стандартного сечения.An N-channel waveguide distribution system of a parallel type (1), exciting N identical radiators (3), is designed to form a falling amplitude distribution that provides a low UBL with the required antenna pattern width and size of the antenna aperture in the horizontal plane. The distribution system (1) and the radiators (3) form a linear antenna array with parallel excitation, which makes it possible to eliminate the dependence of the angular position of the main beam of the antenna pattern on the operating frequency. Emitters (3) are made in the form of waveguide horns (6) of linear polarization matched with the surrounding space, connected to the outputs of the distribution system (1) through a waveguide bend at 90 ° in the H-plane (7), and are intended to excite an expanding horn (2) forming the pattern in the vertical plane. The polarizing filter (15), optionally used as part of the antenna, makes it possible to operate in the circular polarization mode. To protect against external influencing factors, a linear antenna array, an expanding horn (2) and a polarizing filter (15) are placed in a carrier body with a radio-transparent fairing (4) made on the basis of composite materials and installed on the side of the radiating aperture of the horn (2). The antenna input is made in the form of a rectangular waveguide with a standard section.

Отличительной особенностью конструкции узконаправленной волноводной антенны является то, что линейная антенная решетка выполнена в сборном фрезерованном корпусе, который состоит из двух половин - алюминиевых плит, сопрягаемых по линии нулевых токов волноводной топологии. При этом корпус линейной решетки расположен под расширяющимся рупором параллельно его нижней стенке, что позволяет обеспечить требуемые характеристики антенны без увеличения ее габаритов.A distinctive feature of the narrow directional waveguide antenna design is that the linear antenna array is made in a prefabricated milled casing, which consists of two halves - aluminum plates, mated along the line of zero currents of the waveguide topology. In this case, the housing of the linear array is located under the expanding horn parallel to its lower wall, which allows providing the required antenna characteristics without increasing its dimensions.

На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация узконаправленной волноводной антенны на базе 256-элементной линейной решетки и изготовлен ее опытный образец, результаты испытаний которого подтвердили возможность практической реализации предлагаемой полезной модели. Антенна имеет следующие характеристики: рабочая полоса частот: 9000-9450 МГц; ширина ДН на уровне минус 3 дБ, не более: 0,35° в горизонтальной плоскости, 11° в вертикальной плоскости; максимальный уровень боковых лепестков (УБЛ): минус 25 дБ; коэффициент усиления не менее 38 дБ; габариты антенны: не более габаритов прототипа.The applicant enterprise developed design documentation for a narrowly directed waveguide antenna based on a 256-element linear array and manufactured its prototype, the test results of which confirmed the possibility of practical implementation of the proposed utility model. The antenna has the following characteristics: operating frequency band: 9000-9450 MHz; DN width at the level of minus 3 dB, no more: 0.35 ° in the horizontal plane, 11 ° in the vertical plane; maximum sidelobe level (UBL): minus 25 dB; gain not less than 38 dB; antenna dimensions: no more than prototype dimensions.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемой полезной модели, является расширение рабочей полосы частот и устранение частотной зависимости углового положения главного луча ДН без увеличения габаритов антенны, что позволяет улучшить разрешающую способность РЛС по дальности за счет возможности расширения полосы излучаемого/принимаемого сигнала.Thus, the technical result achieved in the implementation of the proposed utility model is the expansion of the operating frequency band and the elimination of the frequency dependence of the angular position of the main beam of the antenna pattern without increasing the dimensions of the antenna, which improves the radar's range resolution due to the possibility of expanding the band of the transmitted / received signal.

Claims

1. Narrow directional waveguide antenna, consisting of an expanding horn and a linear waveguide antenna array, located in a carrier body with a radio-transparent fairing installed on the side of the radiating horn opening, characterized in that the linear antenna array is implemented as an N-channel waveguide distribution system of parallel type on based on waveguide tees and directional couplers, the outputs of which are connected to the inputs of N identical emitters placed in an expanding horn in the longitudinal direction, each of the emitters containing a 90 ° waveguide bend in the H-plane and a waveguide horn.

2. Narrow directional waveguide antenna according to claim. 1, characterized in that the linear antenna array is made in a prefabricated milled housing located under the expanding horn parallel to its lower wall.