RU2293409C2

RU2293409C2 - Multibeam antenna assembly

Info

Publication number: RU2293409C2
Application number: SU4536576/09A
Authority: RU
Inventors: Борис Тихонович Кашубин (RU); Борис Тихонович Кашубин; Николай Пантелеевич Лопатько (RU); Николай Пантелеевич Лопатько; ев Александр Владимирович Петр (RU); Александр Владимирович Петряев
Priority date: 1990-11-14
Filing date: 1990-11-14
Publication date: 2007-02-10

Abstract

FIELD: communication and detection systems for digital or simultaneous survey of desired spatial sector in elevation angle.

SUBSTANCE: proposed multibeam antenna assembly has mirror and multibeam feed made in the form of multibeam antenna and horn whose radiation phase line is matched with mirror focal line; mirror is made in the form of section cut out of vertical parabolic cylinder. Aperture plane of multibeam antenna is disposed at angle to parabolic cylinder focal line greater than angle between normal to multibeam antenna aperture and maximum of multibeam antenna partial directivity pattern in direction to bottom edge of mirror. Bottom edge of line horn neck is aligned with that of multibeam antenna aperture; side and top edges of multibeam antenna aperture are aligned with respective edges of line horn neck by means of metal strips. Size of line-horn neck side edge is found from equation given in invention specification.

EFFECT: ability of shaping fan directivity patterns in vertical plane, reduced distortions, simplified design.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, к области антенн и может быть использовано в системах связи и обнаружения для дискретного или одновременного обзора заданного пространственного сектора по углу места.The invention relates to radio engineering, to the field of antennas and can be used in communication and detection systems for discrete or simultaneous viewing of a given spatial sector in elevation.

Известны антенные системы [1, 2], которые могут быть использованы для формирования веерных диаграмм направленности.Known antenna systems [1, 2], which can be used to form fan radiation patterns.

Антенная система [1] содержит отражатель в виде симметричной вырезки из вертикального параболического цилиндра и однолучевой облучатель, выполненный в виде пирамидального рупора, фазовый центр излучения которого расположен на фокальной линии отражателя, а плоскость раскрыва облучателя расположена наклонно к фокальной линии, чем обеспечивается вынос облучателя из основного потока энергии, отраженной от отражателя, и формирование неискаженной диаграммы направленности (ДН). При формировании вертикального пучка парциальных ДН используется линейный рупор, возбуждаемый многолучевой антенной, при этом фазовая линия излучения рупора должна быть совмещена с фокальной линией отражателя. При таком расположении за счет рассеяния электромагнитной волны, отраженной от отражателя, на облучателе и элементах его крепления ухудшается согласование антенны и возрастает уровень боковых лепестков ДН. Кроме того, для ориентации пучка ДН над линией горизонта необходим поворот всей системы, что приводит к усложнению конструкции фидерного тракта антенны.The antenna system [1] contains a reflector in the form of a symmetric notch from a vertical parabolic cylinder and a single-beam irradiator made in the form of a pyramidal horn, the phase center of radiation of which is located on the focal line of the reflector, and the opening plane of the irradiator is inclined to the focal line, which ensures the removal of the irradiator from the main flow of energy reflected from the reflector, and the formation of an undistorted radiation pattern. In the formation of a vertical beam of partial MDs, a linear horn is used, which is excited by a multipath antenna, while the phase line of the horn radiation should be aligned with the focal line of the reflector. With this arrangement, due to the scattering of the electromagnetic wave reflected from the reflector on the irradiator and its mounting elements, antenna matching worsens and the level of the side lobes of the beam increases. In addition, for the orientation of the beam of the beam above the horizon, the rotation of the entire system is necessary, which leads to a complication of the design of the feeder path of the antenna.

Обеспечение выноса облучателя из потока энергии, отраженной от отражателя, за счет наклона облучателя (наклона фазовой линии излучения относительно фокальной линии отражателя) приводит к искажениям парциальных фазовых распределений поля в раскрыве отражателя и, в результате, к искажению формы каждой парциальной ДН, проявляющуюся в отсутствии горизонтальной плоскости симметрии, изменению уровня их пересечения, росту боковых лепестков.Ensuring the removal of the irradiator from the energy flux reflected from the reflector due to the inclination of the irradiator (the slope of the radiation phase line relative to the focal line of the reflector) leads to distortions of the partial phase distributions of the field in the aperture of the reflector and, as a result, to the distortion of the shape of each partial beam, manifested in the absence horizontal plane of symmetry, a change in the level of their intersection, the growth of side lobes.

Антенная система [2] является наиболее близкой по технической сущности к заявляемой и принята в качестве прототипа.The antenna system [2] is the closest in technical essence to the claimed and adopted as a prototype.

Прототип состоит из отражателя в виде несимметричной вырезки из горизонтального параболического цилиндра и облучателя в виде линейного рупора, возбуждаемого антенной типа "пилбокс", фазовая линия излучения которого совмещена с действительной фокальной линией отражателя. В прототип также входит второй облучатель, поляризация излучения которого ортогональна поляризации излучения первого облучателя, а его фазовая линия расположена на мнимой фокальной линии отражателя. Обдуватели разделены селективной по поляризации поверхностью.The prototype consists of a reflector in the form of an asymmetric notch from a horizontal parabolic cylinder and an irradiator in the form of a linear horn excited by a “pilbox” antenna, the phase phase of which is aligned with the actual focal line of the reflector. The prototype also includes a second irradiator, the radiation polarization of which is orthogonal to the polarization of the radiation of the first irradiator, and its phase line is located on the imaginary focal line of the reflector. Blowers are separated by a polarized surface.

Недостатком прототипа является высокий уровень боковых лепестков в плоскости направляющей отражателя, как ближних, так и дальних в области границы "свет-тень", обусловленных несимметричной формой отражателя. Кроме того, прототип формирует веерные диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Для формирования веерных ДН в вертикальной плоскости необходимо повернуть всю систему на 90°, что приведет к усложнению конструкции за счет необходимости введения элементов фидерного тракта облучателя, дополнительных узлов крепления отражателя и облучателей при наличии общего основания и дополнительных конструктивных элементов для балансировки системы.The disadvantage of the prototype is the high level of the side lobes in the plane of the reflector guide, both near and far in the region of the light-shadow boundary, due to the asymmetric shape of the reflector. In addition, the prototype forms a fan radiation pattern in the horizontal plane. For the formation of fan MDs in the vertical plane, it is necessary to rotate the entire system by 90 °, which will complicate the design due to the need to introduce elements of the feed path of the irradiator, additional attachment points for the reflector and irradiators in the presence of a common base and additional structural elements for balancing the system.

Целью изобретения является формирование вертикального пучка веерных, неискаженных диаграмм направленности при простой конструкции.The aim of the invention is the formation of a vertical beam of fan, undistorted radiation patterns with a simple design.

Для достижения поставленной цели в многолучевой антенной системе, состоящей из параболоцилиндрического отражателя и многолучевого облучателя, содержащего многолучевую антенну, формирующую линейный пучок парциальных диаграмм направленности, и линейный рупор, фазовая линия излучения которого совмещена с фокальной линий отражателя, отражатель выполнен в виде вырезки из вертикального параболического цилиндра, плоскость раскрыва многолучевой антенны расположена под углом α>θ_н к фокальной линии отражателя, при этом нижняя кромка раскрыва многолучевой антенны совмещена с нижней кромкой горловины линейного рупора, а боковые и верхняя кромки раскрыва многолучевой антенны соединены плоскими металлическими пластинами с соответствующими кромками горловины линейного рупора, вертикальный размер b которой выбирают из соотношенияTo achieve this goal in a multi-beam antenna system, consisting of a parabolic-cylindrical reflector and a multi-beam irradiator, containing a multi-beam antenna, forming a linear beam of partial radiation patterns, and a linear horn, the phase radiation line of which is combined with the focal lines of the reflector, the reflector is made in the form of a cut from a vertical parabolic cylinder multibeam antenna aperture plane is at an angle α> θ _n to the focal line of the reflector and the bottom edge discloses va multibeam antenna is aligned with the lower edge of the neck of a linear horn, and the side and upper edges of the aperture multibeam antenna connected to the metal plates with flat edges corresponding linear horn neck, vertical size b which is selected from the relation

где а - вертикальный размер раскрыва многолучевой антенны;where a is the vertical aperture of the multipath antenna;

θ_н, θ_в - соответственно углы между нормалью к раскрыву многолучевой антенны и максимумами крайних в направлении на нижнюю и верхнюю кромку отражателя парциальных диаграмм направленности многолучевой антенны.θ _n , θ _in - respectively, the angles between the normal to the opening of the multipath antenna and the maxima of the extremes in the direction of the lower and upper edge of the reflector of the partial radiation patterns of the multipath antenna.

Авторам и заявителю не известны технические решения со сходной совокупностью признаков, позволяющие формировать неискаженные веерные парциальные диаграммы направленности в вертикальной плоскости.The authors and the applicant are not aware of technical solutions with a similar set of features, allowing the formation of undistorted fan partial radiation patterns in the vertical plane.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена предлагаемая многолучевая антенная система; фиг.2 - конструкция многолучевого облучателя; фиг.3 - конструкция линейного рупора с металлическими пластинами; фиг.4 - экспериментальная картографическая проекция одной из парциальных диаграмм направленности заявляемой антенны; фиг.5 - то же для прототипа.The invention is illustrated in the drawing, where figure 1 shows the proposed multi-beam antenna system; figure 2 - design of a multipath irradiator; figure 3 - construction of a linear horn with metal plates; figure 4 - experimental cartographic projection of one of the partial radiation patterns of the claimed antenna; 5 is the same for the prototype.

Многолучевая антенная система (фиг.1) состоит из отражателя 1, выполненного в виде симметричной вырезки из вертикального параболического цилиндра, закрепленного на основании 2 коробчатой конструкции с помощью поворотного механизма 3 для складывания системы в транспортное положение. На противоположной стороне основания 2 закреплен с помощью кронштейна 4 многолучевой облучатель 5, состоящий из многолучевой антенны 6 и линейного рупора 7, фазовая линия излучения которого совмещена с фокальной линией отражателя 1. Многолучевой облучатель 5 с помощью фидерных линий 8 подключен к источникам (или приемникам) 9 электромагнитной энергии.The multi-beam antenna system (Fig. 1) consists of a reflector 1 made in the form of a symmetrical notch from a vertical parabolic cylinder, mounted on a box-shaped base 2 using a rotary mechanism 3 for folding the system into a transport position. On the opposite side of the base 2, a multipath irradiator 5, consisting of a multipath antenna 6 and a linear horn 7, the phase line of which is aligned with the focal line of the reflector 1, is fixed using the bracket 4, and the multipath irradiator 5 is connected to sources (or receivers) using feeder lines 8 9 electromagnetic energy.

Многолучевая антенна 6 предназначена для формирования линейного пучка парциальных диаграмм направленности и выполнена, например, линзовой (фиг.2). В этом случае она состоит из апланатической плосковыпуклой цилиндрической линзы 10 и первичных облучателей 11, например, волноводно-рупорных, закрепленных в корпусе 12 таким образом, что их фазовые центры излучения совмещены с фокальной линией линзы 10. Количество первичных облучателей 11 равно числу парциальных диаграмм направленности. Расчет параметров облучателей 11 и линзы 10 известен [3, 4].Multipath antenna 6 is designed to form a linear beam of partial radiation patterns and is made, for example, lens (figure 2). In this case, it consists of an aplanatic plano-convex cylindrical lens 10 and primary irradiators 11, for example, waveguide-horn mounted in the housing 12 so that their phase radiation centers are aligned with the focal line of the lens 10. The number of primary irradiators 11 is equal to the number of partial radiation patterns . The calculation of the parameters of the irradiators 11 and the lens 10 is known [3, 4].

Плоскость раскрыва многолучевой антенны 6 в плоскости образующей отражателя составляет с фокальной линией отражателя 1 угол α>θ_н, где θ_н- угол между нормалью к раскрыву многолучевой антенны 6 и максимумом крайней в направлении на нижнюю кромку отражателя 1 парциальной диаграммы направленности. Для случая линзовой антенны угол α - угол между плоской преломляющей поверхностью линзы 10 и фокальной линией отражателя 1, θ_н- центральный угол сектора, ограниченного оптической осью линзы 10 и прямой, соединяющей оптический центр линзы 10 с фазовым центром излучения крайнего верхнего первичного облучателя 11. Наклоном плоскости раскрыва многолучевой антенны на угол α>θ_нобеспечивается вынос облучателя 5 из потока энергии, отраженной от отражателя 1, при возбуждении крайнего верхнего первичного облучателя 11.The aperture plane of the multi-beam antenna 6 in the plane of the reflector generatrix makes an angle α> θ _n with the focal line of the reflector 1, where θ _n is the angle between the normal to the opening of the multi-beam antenna 6 and the extreme maximum in the direction to the lower edge of the reflector 1 of the partial radiation pattern. For the case of a lens antenna, the angle α is the angle between the flat refracting surface of the lens 10 and the focal line of the reflector 1, θ _n is the central angle of the sector bounded by the optical axis of the lens 10 and the straight line connecting the optical center of the lens 10 with the phase center of radiation of the extreme upper primary irradiator 11. By tilting the aperture of the multipath antenna at an angle α> θ _n , the feed 5 is removed from the energy stream reflected from the reflector 1 when the extreme upper primary feed 11 is excited.

Боковые 13, 14 и верхняя 15 кромки раскрыва многолучевой антенны 6 соединены плоскими металлическими пластинами 16, 17, 18 (фиг.3) с соответствующими кромками 19, 20, 21 горловины линейного рупора 7, нижняя кромка 22 раскрыва многолучевой антенны 6 совмещена с нижней кромкой 22 горловины линейного рупора 7. При этом вертикальный размер в горловины линейного рупора 7 выбирают из соотношенияThe lateral 13, 14 and upper 15 edges of the aperture of the multi-beam antenna 6 are connected by flat metal plates 16, 17, 18 (Fig. 3) with the corresponding edges 19, 20, 21 of the neck of the linear horn 7, the lower edge 22 of the aperture of the multi-beam antenna 6 is aligned with the lower edge 22 necks of the linear horn 7. The vertical size of the necks of the linear horn 7 is selected from the ratio

где а - вертикальный линейный размер раскрыва многолучевой антенны 6;where a is the vertical linear aperture of the multipath antenna 6;

θв - угол между нормалью к раскрыву многолучевой антенны и максимумом крайней в направлении на верхнюю кромку отражателя парциальной диаграммы направленности (для линзовой антенны θв - центральный угол сектора, ограниченный оптической осью линзы 10 и прямой, соединяющей оптический центр линзы 10 с фазовым центром излучения крайнего нижнего первичного облучателя 11). Как видно из приведенного соотношения b>a, что позволяет исключить искажения парциальных амплитудно-фазовых распределений поля в раскрыве линейного рупора 7. Из этого же соотношения следует, что при

b=∞, т.е. значение угла α ограничено конструктивными возможностями выполнения рупора с вертикальным размером b.θc is the angle between the normal to the opening of the multi-beam antenna and the maximum extreme towards the upper edge of the reflector of the partial radiation pattern (for the lens antenna, θc is the central angle of the sector bounded by the optical axis of the lens 10 and the straight line connecting the optical center of the lens 10 with the phase center of the radiation of the lower primary irradiator 11). As can be seen from the above relation, b> a, which allows one to exclude distortions of the partial amplitude-phase field distributions in the aperture of the linear horn 7. It follows from the same relation that, for

b = ∞, i.e. the value of the angle α is limited by the design capabilities of the speaker with a vertical dimension b.

Проектирование отражателя 1 в плоскости направляющей и линейного рупора 7 известно [5].The design of the reflector 1 in the plane of the guide and the linear speaker 7 is known [5].

Предлагаемая многолучевая антенная система работает следующим образом.The proposed multi-beam antenna system operates as follows.

Электромагнитная энергия через фидерные линии 8 от источников 9 поступает в каналы первичных облучателей 11, излучается во внутренний объем корпуса 12 и в форме цилиндрических электромагнитных волн падает на плоскую поверхность линзы 10. После преломления на плоской и выпуклой поверхностях линзы 10 цилиндрические электромагнитные волны преобразуются в плоские, причем наклон каждой парциальной плоской волны относительно нормали к раскрыву линзы 10 равен углу между оптической осью линзы 10 и прямой, соединяющей оптический центр линзы 10 с фазовым центром соответствующего первичного облучателя 11. Эти волны распространяются в направлении раскрыва линейного рупора 7. Выбором вертикального размера рупора, равным b, и наличием металлических пластин 16, 17, 18, соединяющих раскрыв антенны 6 с горловиной рупора 7, обеспечивается излучение в направлении отражателя 1 парциальных волн с неискаженными амплитудно-фазовыми фронтами. Т.к. фазовая линия излучения рупора 7 совмещена с фокальной линией отражателя 1, то цилиндрические волны, падающие на отражатель 1, после отражения преобразуются в плоские и, следовательно, в дальней зоне антенны формируются неискаженные веерные парциальные ДН, т.е. каждая ДН имеет вертикальную и горизонтальную плоскости симметрии. При этом наклон плоскости раскрыва антенны 6 на угол α>θ_н обеспечивает дополнительный линейный фазовый сдвиг в вертикальной плоскости одновременно для всех парциальных диаграмм и, следовательно, вынос облучателя 5 из потока энергии, отраженной от отражателя 1.Electromagnetic energy through feeder lines 8 from sources 9 enters the channels of the primary irradiators 11, is radiated into the internal volume of the housing 12 and, in the form of cylindrical electromagnetic waves, falls on the flat surface of the lens 10. After refraction on the flat and convex surfaces of the lens 10, the cylindrical electromagnetic waves are converted into plane moreover, the inclination of each partial plane wave relative to the normal to the opening of the lens 10 is equal to the angle between the optical axis of the lens 10 and the straight line connecting the optical center of the lens 10 with phase the center of the corresponding primary irradiator 11. These waves propagate in the direction of the aperture of the linear horn 7. By choosing the vertical size of the horn equal to b and the presence of metal plates 16, 17, 18 connecting the opening of the antenna 6 with the mouth of the horn 7, radiation is provided in the direction of the reflector 1 partial waves with undistorted amplitude-phase fronts. Because The radiation line of the horn 7 is aligned with the focal line of the reflector 1, then the cylindrical waves incident on the reflector 1 are converted into plane waves after reflection and, therefore, in the far zone of the antenna, undistorted fan-shaped partial MDs are formed, i.e. each DN has a vertical and horizontal plane of symmetry. Moreover, the inclination of the aperture plane of the antenna 6 by an angle α> θ _n provides an additional linear phase shift in the vertical plane simultaneously for all partial diagrams and, therefore, the removal of the irradiator 5 from the energy flux reflected from the reflector 1.

На предприятии изготовлен опытный образец предлагаемой антенны.The company made a prototype of the proposed antenna.

Антенна при простой конструкции формирует неискаженные веерные в вертикальной плоскости ДК (фиг.4). Прототип формирует диаграммы направленности в горизонтальной плоскости; формирование ДН в вертикальной плоскости может быть осуществлено при повороте всей системы на 90°, т.е. при более сложной конструкции, чем у заявляемой антенной системы. Кроме того, уровень бокового излучения в предлагаемой антенне на 12-15 дБ ниже, чем в прототипе за счет использования отражателя в виде симметричной вырезки из параболического цилиндра. Вынос же облучателя в прототипе из потока энергии, отражаемой от отражателя, за счет наклона облучателя к фокальной линии приводит к искажению формы парциальных ДН (фиг.5) и росту бокового излучения.The antenna with a simple design forms undistorted fan in the vertical plane of the DC (figure 4). The prototype forms radiation patterns in the horizontal plane; the formation of MDs in the vertical plane can be carried out by rotating the entire system by 90 °, i.e. with a more complex design than the claimed antenna system. In addition, the level of lateral radiation in the proposed antenna is 12-15 dB lower than in the prototype due to the use of a reflector in the form of a symmetrical notch from a parabolic cylinder. The removal of the irradiator in the prototype from the flow of energy reflected from the reflector due to the inclination of the irradiator to the focal line leads to a distortion of the shape of the partial MDs (Fig. 5) and an increase in lateral radiation.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Кюн Р. Микроволновые антенны. М.: Судостроение, 1967, с.324-325, рис.7.15.1. Kune R. Microwave antennas. M .: Shipbuilding, 1967, p. 324-325, Fig. 7.15.

2. Патент США №3810185 от 07.05.74, МКИ H 01 Q 19/00, НКИ: 343/7562. US patent No. 3810185 from 05/07/74, MKI H 01 Q 19/00, NCI: 343/756

3. Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М.: Сов.радио, 1974, с.72-743. Zelkin EG, Petrova R.A. Lens antennas. M .: Sov.radio, 1974, p. 72-74

4. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под ред. проф. Д.И.Воскресенского М.: Сов.радио, 1972, с.154-156.4. Antennas and microwave devices. Calculation and design of antenna arrays and their radiating elements. Ed. prof. D.I.Voskresensky M .: Sov.radio, 1972, p. 154-156.

5. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. Часть 1. М.: "Связь" 1977 г., с.311-312, 371-376.5. Eisenberg G.Z., Yampolsky V.G., Tereshin O.N. VHF antennas. Part 1. M .: "Communication" 1977, p. 311-312, 371-376.

Claims

A multi-beam antenna system comprising a mirror and a multi-beam irradiator, made in the form of a multi-beam antenna and a linear horn, the phase radiation line of which is combined with the focal line of the mirror, characterized in that, in order to form fan radiation patterns in the vertical plane while reducing distortion and simplifying the design, the mirror is made in the form of a cut from a vertical parabolic cylinder, the aperture plane of the multi-beam antenna is placed at an angle α> θ _n to the focal line of the parabolic lindra, where θ _n is the angle between the normal to the opening of the multipath antenna and the maximum extreme towards the lower edge of the mirror of the partial radiation pattern of the multipath antenna, the lower edge of the neck of the linear horn is aligned with the lower edge of the aperture of the multipath antenna, and the side and upper edges of the aperture of the multipath antenna are connected with corresponding edges of the neck of the linear horn by means of inserted metal plates, and the size of the lateral edge of the neck of the linear horn is selected from the ratio:

where a is the size of the lateral edge of the aperture of the multipath antenna;

θ _in is the angle between the normal to the opening of the multipath antenna and the maximum of the extreme partial radiation pattern of the multipath antenna in the direction to the upper edge of the mirror.