RU2037933C1

RU2037933C1 - Phased feedthrough antenna array

Info

Publication number: RU2037933C1
Authority: RU
Inventors: А.Г. Волков; Ю.В. Лаврик; В.А. Руппель
Original assignee: Радиокомпания "Вектор"
Priority date: 1991-04-17
Filing date: 1991-04-17
Publication date: 1995-06-19

Abstract

FIELD: antenna engineering. SUBSTANCE: phased antenna array has radiating members in the form of a·b waveguide sections, a·b to (a·b)/2 section adapters, (a·b)/2 to a·b section adapters, controlled phase shifters in the form of slotted bridges, short-circuited (a·b)/2 and (a·b)/4 waveguide sections, controlled diodes. EFFECT: improved design. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, а именно к конструированию фазированных антенных решеток проходного типа из волноводных фазовращателей с управляемыми диодами, преимущественно для работы в ММДВ. The invention relates to antenna technology, and in particular to the construction of a phased array antennas of the passage type from waveguide phase shifters with controlled diodes, mainly for operation in MMDV.

Известны конструкции антенных решеток (АР) для широкоугольного сканирования, которые содержат линейные решетки открытых концов прямоугольных волноводов, короткозамкнутые канавки и линейные рассеиватели. Недостатком данных конструкций является узкий (± 6,5^о) сектор сканирования в Е-плоскости и наличие многочисленных конструктивных элементов, увеличивающих массогабаритные параметры АР.Known designs of antenna arrays (AR) for wide-angle scanning, which contain linear arrays of the open ends of rectangular waveguides, short-circuited grooves and linear scatterers. The disadvantage of these designs is a narrow (± 6.5 ^o ) scanning sector in the E-plane and the presence of numerous structural elements that increase the mass and size parameters of the AR.

Известны АР с управляющими полупроводниковыми диодами. В основе элементов АР лежит фазовращатель, представляющий собой закороченный отрезок прямоугольного волновода, внутри которого в Е-плоскости установлены платы с pin-диодами. Управление pin-диодами осуществляется через выводы, проходящие в широких стенках волновода. Фазовращатели объединены в решетку корпусом и закрыты со стороны входа радиопрозрачным укрытием. В задней части АР расположены платы управления, соединенные с компьютером. Known AR with control semiconductor diodes. The AR elements are based on a phase shifter, which is a shorted segment of a rectangular waveguide, inside which boards with pin diodes are installed in the E-plane. Pin diodes are controlled through leads passing through the wide walls of the waveguide. Phase shifters are integrated into the grating by a housing and are closed from the entrance side by a radiotransparent shelter. At the rear of the AP are control cards connected to a computer.

Однако данная конструкция имеет большие потери и исключает возможность осуществления плотной упаковки элементов в решетку ММДВ из-за наличия большого количества pin-диодов на платах внутри волновода, необходимости подвода питания к ним и отвода тепла. However, this design has large losses and eliminates the possibility of dense packing of elements in the MMDV array due to the presence of a large number of pin diodes on the boards inside the waveguide, the need to supply power to them and remove heat.

Наиболее близкой к предложенному устройству по технической сущности и достигаемому результату является АР, которая содержит N каналов, включающих направленные ответвители, фазовращатели, волноводные отрезки, излучатели. АР может быть выполнена из волноводных элементов, а каналы сформированы так, что сигнал на волноводные входы фазовращателей поступает от делителя мощности в виде волноводного рупора. Такая АР будет являться решеткой проходного типа. Недостаток АР, заключающийся в наличии в каждом канале одного входа с одним фазовращателем на два излучателя, компенсируется реализацией секторных парциальных диаграмм направленности. При этом конструкция АР позволяет минимизировать число управляемых элементов, а при проектировании крупноапертурных антенн с пространственным возбуждением получить близкой к максимальному КИП облучаемой апертуры при близкой к максимальной эффективности использования облучателя. Кроме того, разреженность волноводной АР на входе позволяет осуществлять коммутацию для управления pin-диодами и их термостабилизацию. Closest to the proposed device in technical essence and the achieved result is an AR, which contains N channels, including directional couplers, phase shifters, waveguide segments, emitters. The AR can be made of waveguide elements, and the channels are formed so that the signal at the waveguide inputs of the phase shifters comes from the power divider in the form of a waveguide horn. Such an AR will be a passage type lattice. The disadvantage of AR, consisting in the presence in each channel of one input with one phase shifter for two emitters, is compensated by the implementation of sectorial partial radiation patterns. Moreover, the design of the AR allows one to minimize the number of controllable elements, and when designing large-aperture antennas with spatial excitation, to obtain close to the maximum instrumentation of the irradiated aperture at close to maximum efficiency of use of the irradiator. In addition, the sparseness of the waveguide AR at the input allows switching to control pin diodes and their thermal stabilization.

Однако наличие большого количества направленных ответвителей и отрезков линий передачи приводит к большой длине трактов, а следовательно, к большим потерям, особенно в ММДВ, и большим массогабаритным параметрам. However, the presence of a large number of directional couplers and segments of transmission lines leads to a large path length and, consequently, to large losses, especially in MMDV, and large weight and size parameters.

Целью изобретения является снижение потерь и массогабаритных параметров фазированной антенной решетки (ФАР) при однолучевом режиме работы в широком секторе углов сканирования, преимущественно в ММДВ. The aim of the invention is to reduce losses and overall dimensions of the phased antenna array (PAR) during single beam operation in a wide sector of scanning angles, mainly in MMDV.

Это достигается тем, что в фазированной антенной решетке (ФАР) проходного типа, содержащей N каналов, излучающие элементы, отрезки линий передачи, направленные ответвители и управляемые фазовращатели выполнены в виде соответствующих отрезков волноводов, а излучающими элементами являются открытые концы отрезков волноводов сечения a x b, на входах и выходах которых расположены соответствующие переходы сечения a x b на сечение a x b/2 и с сечения a x b/2 на сечение a x b. Управляемые фазовращатели при этом выполнены в виде соединения щелевых мостов, соответствующие плечи которых соединены с соответствующими короткозамкнутыми отрезками волноводов сечением a x b/2 и сечением a x b/4, в каждом из которых расположены управляемые диоды, причем N каналов ФАР расположены так, что суммарная их площадь поперечного сечения не превышает площади N поперечных сечений отрезков волноводов размерами a x b, а короткозамкнутые отрезки волноводов расположены так, что образуют прямоугольные отверстия в соответствующих местах вдоль продольных осей N каналов. This is achieved by the fact that in a phased array (PAR) of a loop-through type containing N channels, radiating elements, segments of transmission lines, directional couplers and controlled phase shifters are made in the form of corresponding segments of waveguides, and radiating elements are the open ends of the segments of waveguides of the axb section, on the inputs and outputs of which the corresponding transitions of the axb section to the axb / 2 section and from the axb / 2 section to the ax b section are located. In this case, the controlled phase shifters are made in the form of connection of slotted bridges, the corresponding shoulders of which are connected to the corresponding short-circuited waveguide sections with the axb / 2 section and the axb / 4 section, in each of which are controlled diodes, and N channels of the PARs are located so that their total transverse area the cross sections do not exceed the area N of the cross sections of the lengths of the waveguides with dimensions of axb, and the short-circuited segments of the waveguides are arranged so that they form rectangular openings in the corresponding places in eh longitudinal axes of the N channels.

Кроме того, в нечетных каналах на его входах переход с сечения a x b на сечение a x b/2 соединен с направленным ответвителем с полной связью, выход которого подключен к входу управляемого фазовращателя, состоящего из щелевого моста со связью по узкой стенке отрезков волноводов и короткозамкнутыми отрезками волноводов сечениями a x b/4 и последовательно соединенного с щелевым мостом со связью по широкой стенке отрезков волноводов и короткозамкнутыми отрезками волноводов сечениями a x b/2, а выход управляемого фазовращателя подключен к отрезку волновода сечения a x b/2 на сечение a x b, а в четных каналах на его входах переход с сечения a x b на сечение a x b/2 сое- динен с отрезком волновода сечения a x b/2, второй конец которого подключен к входу управляемого фазовращателя, состоящего из щелевого моста со связью по широкой стенке отрезков волноводов и короткозамкнутыми отрезками сечением a x b/2 с последовательно соединенного с щелевым мостом со связью по узкой стенке соответствующих отрезков волноводов с короткозамкнутыми отрезками волноводов с сечением a x b/4, а выход управляемого фазовращателя соединен с направленным ответвителем с полной связью, выход которого подключен к переходу с сечения a x b/2 на сечение a x b, при этом нечетный и четный каналы плотно примыкают друг к другу узкими стенками соответствующих отрезков волноводов. In addition, in the odd channels at its inputs, the transition from the axb section to the axb / 2 section is connected to a directional coupler with full coupling, the output of which is connected to the input of the controlled phase shifter, which consists of a slot bridge with communication over a narrow wall of waveguide segments and short-circuited waveguide segments axb / 4 and connected in series with a slit bridge with communication over a wide wall of segments of waveguides and short-circuited segments of waveguides with axb / 2 sections, and the output of a controlled phase shifter is connected to a wavelength segment the novode of the axb / 2 section to the axb section, and in even channels at its inputs, the transition from the axb section to the axb / 2 section is connected to a section of the axb / 2 section waveguide, the second end of which is connected to the input of the controlled phase shifter, consisting of a slot bridge with coupling along the wide wall of the waveguide segments and short-circuited segments with the axb / 2 cross section connected in series with the gap bridge with connecting along the narrow wall of the corresponding waveguide segments with short-circuited waveguide sections with the axb / 4 cross section, and the output of the controlled phase shifter coupled to a directional coupler with a full connection, which output is connected to the transition section with a x b / 2 on the cross section a x b, wherein odd and even channels are densely adjacent to each other corresponding narrow walls of waveguide segments.

На фиг.1 показан фрагмент антенной решетки, состоящий из четырех волноводных каналов. Figure 1 shows a fragment of the antenna array, consisting of four waveguide channels.

Первый канал состоит из перехода 1 с сечения волновода a x b на a x b/2, подключенного к направленному ответвителю 2. Выход направленного ответвителя 2 соединен с входом второго направленного ответвителя 3, выход которого подключен к первому щелевому мосту 4 фазовращателя. Выход щелевого моста 4 подключен к входу второго моста 5, выход которого через волноводный отрезок 6 подключен к переходу 7 с сечения a x b/2 на сечение a x b. The first channel consists of transition 1 from the cross section of the waveguide a x b to a x b / 2 connected to the directional coupler 2. The output of the directional coupler 2 is connected to the input of the second directional coupler 3, the output of which is connected to the first slotted bridge 4 of the phase shifter. The output of the slotted bridge 4 is connected to the input of the second bridge 5, the output of which through the waveguide segment 6 is connected to transition 7 from the section a x b / 2 to the section a x b.

Второй канал состоит из последовательно соединенных перехода 8, направленных ответвителей 9 и 10, щелевых мостов 11 и 12 фазовращателя, волноводного отрезка 13 и перехода 14. The second channel consists of a series-connected transition 8, directional couplers 9 and 10, slotted bridges 11 and 12 of the phase shifter, the waveguide segment 13 and transition 14.

Третий канал состоит из последовательно соединенных перехода 15, щелевых мостов 16 и 17 фазовращателя, волноводного отрезка 18, направленных ответвителей 19 и 20 и волноводного перехода 21. The third channel consists of a series-connected junction 15, slotted bridges 16 and 17 of the phase shifter, a waveguide segment 18, directional couplers 19 and 20, and a waveguide junction 21.

Четвертый канал состоит из перехода 22, волноводного отрезка 23, щелевых мостов 24 и 25, направленных ответвителей 26 и 27 и перехода 28. The fourth channel consists of a transition 22, a waveguide segment 23, slotted bridges 24 and 25, directional couplers 26 and 27, and a transition 28.

Четыре волноводных канала имеют площадь поперечного сечения, равную площади четырех сечений a x b волновода, при которых обеспечивается однолучевой режим ФАР в широком секторе сканирования. Four waveguide channels have a cross-sectional area equal to the area of four cross-sections a x b of the waveguide, in which a single-beam headlamp mode is provided in a wide scanning sector.

Наличие меньшего количества направленных ответвителей по сравнению с прототипом, а также меньшего количества других элементов канала приводит к меньшей длине трактов и соответственно к меньшим потерям и массогабаритным параметрам. The presence of a smaller number of directional couplers in comparison with the prototype, as well as fewer other channel elements leads to a shorter path length and, consequently, to smaller losses and overall dimensions.

Рассмотрим работу фазированной антенной решетки проходного типа на примере первого канала. Consider the operation of a phased array antenna type through the example of the first channel.

Падающая на проходную решетку волна поступает на переход 1 и далее через направленные ответвители 2 и 3 на вход щелевого моста 4 фазовращателя. В зависимости от комбинации управляющих сигналов на четырех диодах фаза волны принимает следующие дискретные состояния 0, 45, 90 и 135^о. Далее волна поступает на щелевой мост 5 и в зависимости от управляющих сигналов на двух диодах к фазе волны добавляется либо 0^о, либо 180^о. Далее волна через отрезок волновода 6 и переход 7 излучается в пространство.The wave incident on the through-grating arrives at transition 1 and then through directional couplers 2 and 3 to the input of the slit bridge 4 of the phase shifter. Depending on the combination of control signals on the four diodes wave phase takes the following discrete state 0, 45, 90 and ^135. Then the wave enters the slot bridge 5 and, depending on the control signals on two diodes, either 0 ^о or 180 ^{о is} added to the phase of the wave. Next, the wave through the segment of the waveguide 6 and the transition 7 is radiated into space.

Компоновка волноводных элементов осуществлена так, что возле управляющих диодов образуются сквозные окна для их коммутации и термостабилизации, а также при необходимости для размещения устройств управления диодами. The arrangement of the waveguide elements is carried out in such a way that through the control diodes through holes are formed for their switching and thermal stabilization, and also, if necessary, for the placement of diode control devices.

Более компактная конструкция волноводной проходной решетки представлена на фиг.2. Линейка из двух волноводных трактов (см. фиг.2) изображена в виде разомкнутых деталей. A more compact design of the waveguide feedthrough array is shown in Fig.2. The line of two waveguide paths (see figure 2) is depicted in the form of open parts.

Падающая волна через переход и направленный ответвитель поступает на щелевой мост со связью по узкой стенке волновода и далее на щелевой мост со связью по широкой стенке волновода (см. фиг.2). С выхода фазовращателя волна через отрезок волновода сечения a x b/2 поступает на переход и излучается в пространство. Поворот фазы волны в зависимости от комбинации управляющих сигналов на 4+2 диодах осуществляется на углы 0, 45, 90, 135, 225, 270 и 315^о.The incident wave through the transition and the directional coupler enters the slotted bridge with communication along the narrow waveguide wall and then to the slotted bridge with communication along the wide waveguide wall (see Fig. 2). From the output of the phase shifter, the wave passes through the axb / 2 section of the waveguide to the transition and radiates into space. Turning the phase of the wave depending on the combination of control signals on the 4 + 2 diodes is carried out at angles 0, 45, 90, 135, 225, 270 and 315 ^on.

По второму каналу волна последовательно проходит через переход, отрезок волновода, щелевой мост со связью по широкой стенке волновода, щелевой мост со связью по узкой стенке волновода, направленный ответвитель, переход и излучается в пространство с аналогичными фазовыми дискретами. В данной конструкции (см. фиг.2) еще более сокращается по сравнению с прототипом количество и протяженность волноводных элементов, что приводит к еще меньшим потерям (затуханию) мощности и массогабаритным параметрам. Through the second channel, the wave passes sequentially through the transition, the segment of the waveguide, the slot bridge with communication along the wide wall of the waveguide, the slot bridge with communication along the narrow wall of the waveguide, the directional coupler, the transition is radiated into space with similar phase discrete. In this design (see figure 2), the number and length of the waveguide elements is even more reduced in comparison with the prototype, which leads to even smaller losses (attenuation) of power and mass and size parameters.

Кроме того, в конструкции образованы сквозные окна в двух ортогональных направлениях, в плоскости, ортогональной направлению падающей и излучаемой ФАР волны. In addition, through-windows are formed in the structure in two orthogonal directions, in a plane orthogonal to the direction of the incident and radiated PAR light.

Элемент ФАР в виде линейки из двух волноводных трактов со сквозными окнами может быть использован для создания решетки с гексагональной сеткой расположения элементов. The PAR element in the form of a line of two waveguide paths with through windows can be used to create a lattice with a hexagonal grid of elements.

Приставив линейки друг к другу пазами в центре, получим фрагмент с одним горизонтальным центральным окном и двумя вертикальными по краям. Having placed the rulers to each other with grooves in the center, we get a fragment with one horizontal central window and two vertical ones at the edges.

При смещении линеек относительно друг друга вдоль горизонтального окна не изменяется проем этого окна, что позволяет осуществлять коммутацию и термостабилизацию гексагональной ФАР. When the rulers are shifted relative to each other along the horizontal window, the opening of this window does not change, which allows switching and thermal stabilization of the hexagonal headlamp.

Построение волноводных ФАР проходного типа на элементах с сечением волновода a x b/2 удалось осуществить впервые. Ранее были созданы элементы антенных решеток с 1/3 частью сечения волновода. В данном случае потери (затухание) будут значительно меньшими. Предлагаемое техническое решение дает возможность впервые создавать на практике волноводные ФАР ММДВ с малыми потерями и широким сектором сканирования. The construction of the passage-type waveguide phased arrays on the elements with the cross section of the waveguide a x b / 2 was carried out for the first time. Earlier elements of antenna arrays with 1/3 of the waveguide section were created. In this case, the loss (attenuation) will be much smaller. The proposed technical solution makes it possible for the first time to create in practice waveguide phased array MMDV with low losses and a wide scanning sector.

Так для антенной решетки с гексагональной сеткой расположения излучающих волноводов сечением 5,8 х 4,2 мм и толщиной стенок 0,4 мм (т.е. толщинами 0,8 мм перегородок АР) сектор однолучевого сканирования составляет угол не менее 30^о.So for an antenna array with a hexagonal grid of the location of the emitting waveguides with a cross section of 5.8 x 4.2 mm and a wall thickness of 0.4 mm (i.e., 0.8 mm thick partition walls AR), the single-beam scanning sector makes an angle of at least 30 ^about .

Claims

1. PHASED ANTENNA ARRAY OF TYPE THROUGH, containing N channels, each of which consists of radiating elements, segments of transmission lines, directional couplers, controlled phase shifters, characterized in that, in order to reduce losses and weight and size parameters of the array during single beam operation in a wide sector scans, radiating elements, segments of transmission lines, directional couplers and controlled phase shifters are made in the form of corresponding segments of waveguides, and radiating elements are the covered ends of the waveguide segments of section a · b, at the inputs and outputs of which there are corresponding transitions from section a · b to section (a · b) / 2 and from section (a · b) / 2 to section a · b, The phase shifters are made in the form of a connection of slot bridges, the corresponding shoulders of which are connected to the corresponding short-circuited waveguide sections with a section (a · b) / 2 and a section (a · b) / 4, in each of which are controlled diodes, and N channels of the array are located so that their total cross-sectional area does not exceed it has the area N of cross-sections of segments of waveguides with dimensions a · b, and the short-circuited segments of waveguides are located so that they form rectangular holes in corresponding places along the longitudinal axes of N channels.

2. The grating according to claim 1, characterized in that in the odd channels at the inputs, the transition from section a · b to section (a · b) / 2 is connected to a directional coupler with full coupling, the output of which is connected to the input of a controlled phase shifter, consisting of slot bridge with a connection along a narrow wall of segments of waveguides and short-circuited segments of waveguides with sections (a · b) / 4 and connected in series with a slot bridge with communication over a wide wall of segments of waveguides and short-circuited segments of waveguides with sections (a · b) / 2, and controlled phase output of the rotator is connected to a section of the waveguide of section (a · b) / 2, the second end of which is connected to the transition from section (a · B) / 2 to section a · b, and in even channels at its inputs, the transition from section a · b to section (a · b) / 2 is connected to a section of the waveguide of section (a · b) / 2, the second end of which is connected to the input of a controlled phase shifter, consisting of a slot bridge with a connection along a wide wall of segments of waveguides and short-circuited segments with section (a · b) / 2 and connected in series with a slotted bridge with communication along a narrow wall of the corresponding section of waveguides with short-circuited segments of waveguides with a section (a · b) / 4, and the output of the controlled phase shifter is connected to a directional coupler with full coupling, the output of which is connected to the transition from the section (a · b) / 2 to the section a · b, while the odd and even channels are tightly adjacent to each other by the narrow walls of the corresponding segments of the waveguides.