RU2593914C1

RU2593914C1 - Waveguide slotted antenna array (versions)

Info

Publication number: RU2593914C1
Application number: RU2015124759/28A
Authority: RU
Inventors: Николай Данилович Бородин; Виктор Тимофеевич Ковалёв
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют"
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2016-08-10

Abstract

FIELD: antennas.

SUBSTANCE: invention relates to antennas of superhigh frequencies. Peculiar feature of claimed waveguide slotted antenna arrays is that in general scheme of waveguide slotted antenna array in vertical plane, phase distribution is calculated by enumerative searching for cross-polarization radiation, based on minimum criterion of maximum level of cross-polarization petals, that is performed by decomposition of counter-phase waveguide lines, turning waveguide-coaxial transitions at 180°, or is introduced into phase scanning beam on main polarization, in presence of phase changers in antenna circuit.

EFFECT: technical result is higher noise immunity of radar station.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к антеннам сверхвысоких частот. Волноводно-щелевые антенные решетки (ВЩАР) широко применяются в радиолокации, радиотехнических системах и системах связи. Такие антенны компактны, имеют хорошие электрические характеристики и устанавливаются как на неподвижных, так и на подвижных объектах.The invention relates to microwave antennas. Waveguide-slot antenna arrays (VCHAR) are widely used in radar, radio engineering systems and communication systems. Such antennas are compact, have good electrical characteristics and are installed on both stationary and moving objects.

Один из основных типов ВЩАР - решетки на основе волноводных линеек с наклонными щелями в узкой стенке прямоугольного волновода. Малый поперечный размер излучающей линейки (определяется размером узкой стенки волновода) дает возможность установить шаг между ними равным половине рабочей длинны волны и позволяет создавать двумерные антенные решетки с электронным сканированием в поперечной волноводам плоскости в широком диапазоне углов. А также справедливо отмечается, что кроме того взаимовлияние по внешнему пространству между соседними волноводами в такой двумерной решетке невелико, что исключает эффекты «ослепления» при сканировании (см. Заводов Л.В. «Линейная волноводно-щелевая антенная решетка из перпендикулярных щелей на узкой стенке волновода». Вопросы радиоэлектроники, серия общетехническая (ОТ), выпуск 3, 2009 г., стр. 45. [1]).One of the main types of VCHAR is gratings based on waveguide rulers with inclined slots in the narrow wall of a rectangular waveguide. The small transverse size of the emitting ruler (determined by the size of the narrow wall of the waveguide) makes it possible to set the step between them equal to half the working wavelength and allows you to create two-dimensional antenna arrays with electronic scanning in the transverse plane of the waveguides in a wide range of angles. And it is also rightly noted that, in addition, the mutual influence of the external space between adjacent waveguides in such a two-dimensional array is small, which eliminates the effects of "blinding" during scanning (see L.V. Zavodov, “Linear waveguide-slot antenna array of perpendicular slots on a narrow wall waveguide. ”Issues of Radio Electronics, General Technical Series (OT), Issue 3, 2009, p. 45. [1]).

Основной недостаток ВЩАР с наклонными щелями на узких стенках волновода состоит в том, что наряду с лучом на основной поляризации формируются «паразитные» кроссполяризационные боковые лепестки, которые приводят к снижению помехозащищенности радиолокационной станции (РЛС). Для исключения этого недостатка многие авторы предлагают перейти к прямым (с нулевым наклоном) щелям на узкой стенке волновода с различными вариантами их возбуждения, такими как применение расположенных рядом со щелью изогнутых штырей (вибраторов), одной или двух резонаторных диафрагм (см. [1], [2] «Антенны сантиметровых волн» перевод под редакцией Фельда Я.Н. 1960 г.).The main disadvantage of the VCHAR with inclined slots on the narrow walls of the waveguide is that along with the beam, “parasitic” cross-polarization side lobes are formed on the main polarization, which lead to a decrease in the noise immunity of the radar station. To eliminate this drawback, many authors propose switching to straight (with zero slope) slots on the narrow wall of the waveguide with various options for their excitation, such as the use of curved pins (vibrators) located next to the slit, one or two resonant diaphragms (see [1] , [2] "Antennas of centimeter waves" translation edited by Feld Y. N. 1960).

Однако такие способы не позволяют в полной мере освободиться от кроссполяризационных лучей, при этом значительно усложняют, удорожают конструкцию.However, such methods do not allow fully free from cross-polarization rays, while significantly complicating, increasing the cost of the design.

Известен вариант применения прямых поперечных щелей на узких стенках волновода с попеременным зарезом на широкие (патент РФ №2476963). Такое решение позволяет существенно снизить уровень кроссполяризационных лепестков, однако при этом снижается жесткость конструкции, т.к. наибольшая глубина зареза доходит до 0,75 размера широкой стенки волновода.There is a known application of straight transverse slots on the narrow walls of a waveguide with alternating notches for wide ones (RF patent No. 2476963). This solution can significantly reduce the level of cross-polarization lobes, however, this reduces the rigidity, because the greatest depth of the notch reaches 0.75 of the size of the wide waveguide wall.

Несмотря на множество предложений по применению прямых поперечных щелей (с нулевым наклоном) призванных исключить, кроссполяризационное излучение, они так и не нашли широкого распространения. В большинстве ВЩАР различного назначения применяются попеременно наклонные щели на узкой стенке волновода. Для снижения излучения на «паразитной» поляризации в них, как правило, ограничивают углы наклона щелей менее 15°, допуская увеличение мощности уходящей в нагрузку. При этом не достигается существенного уменьшения излучения на «паразитной» поляризации при очевидном снижении коэффициента полезного действия (КПД (КУ)) антенны.Despite the many proposals for the use of straight transverse slits (with zero slope) designed to exclude cross-polarization radiation, they have not found wide distribution. In most VCHAR for various purposes, alternately inclined slots are used on the narrow wall of the waveguide. To reduce radiation on the "parasitic" polarization in them, as a rule, the slope angles of the slits are limited to less than 15 °, allowing an increase in the power going into the load. At the same time, a significant decrease in radiation at the "spurious" polarization is not achieved with an obvious decrease in the efficiency (KP) of the antenna.

При построении двумерных ВЩАР с использованием попеременно наклонных щелей, для снижения влияния кроссполяризационных лепестков, часто применяется схема построения волноводно-щелевой решетки с противоположными знаками углов наклона щелей для соседних волноводов и, соответственно, с противофазным их возбуждением, для увода лепестков на «паразитной» поляризации из рабочего сектора РЛС [1]. Пример аналогичного построения ВЩАР приведен в Справочнике по радиолокации под редакцией М. Сколника. Москва «Советское Радио» 1977. Том 2, стр. 286. [3]. Такое построение ВЩАР широко распространено в мире, а также описано в [4] - «Радиолокационное вооружение военно-морского флота России. «Научтехлитиздат» 2004 г., стр. 374-376». Приведенные в [3], [4] ВЩАР применяется в РЛС с частотным сканированием луча в вертикальной плоскости.When constructing two-dimensional VCHAR using alternately inclined slots, to reduce the influence of cross-polarization lobes, a scheme is often used to construct a waveguide-slot array with opposite signs of the slope angles for adjacent waveguides and, accordingly, with their antiphase excitation, to remove the lobes to “spurious” polarization from the working sector of the radar [1]. An example of a similar construction of the VCHAR is given in the Guide to Radar edited by M. Skolnik. Moscow “Soviet Radio” 1977. Volume 2, p. 286. [3]. Such a construction of the VShCHAR is widespread in the world, and is also described in [4] - “Radar weapons of the Russian Navy. NauchTechLitizdat 2004, pp. 374-376. Given in [3], [4] VCHAR is used in radar with frequency scanning of a beam in a vertical plane.

По совокупности существенных признаков построение ВЩАР приведенное в [3], [4] является прототипом заявленному изобретению.In terms of the set of essential features, the construction of the VCHAR given in [3], [4] is a prototype of the claimed invention.

Проанализировав [3], [4] отметим, что ВЩАР проектируются так, что на основной рабочей горизонтальной поляризации луч формируется один как в фазной, так и в противофазной решетках. При этом на кроссполяризации в фазной решетке формируется по одному лучу слева и справа примерно под углом 45°. Чтобы снизить уровень кроссполяризационных лучей применяют противофазные решетки в вертикальной плоскости и кроссполяризационные лучи делятся на 4 с меньшим уровнем на 3 дБ с отклонением от нормали примерно под углом 45° в обеих плоскостях.After analyzing [3], [4], we note that VCHAR are designed so that on the main working horizontal polarization the beam is formed alone in both phase and antiphase gratings. In this case, on cross-polarization in the phase lattice, one beam is formed along one beam from the left and right at an angle of approximately 45 °. To reduce the level of cross-polarization rays, antiphase gratings are used in the vertical plane and cross-polarization rays are divided into 4 with a lower level of 3 dB with a deviation from the normal at an angle of about 45 ° in both planes.

Исходя из вышеописанного предлагается, что если на основной поляризации формируется один луч как в фазной, так и противофазной решетках, а на кроссполяризации в противофазных решетках лучи в вертикальной плоскости размножаются с уменьшением их уровня, то, например, раскладкой линеек, формированием - подбором фазового распределения в вертикальной плоскости по существу снижается (рассеивается) кроссполяризационное излучение до низкого, приемлемого уровня, не вредя диаграммам направленности на основной поляризации.Based on the above, it is proposed that if a single beam is formed on the main polarization in both phase and antiphase gratings, and on cross-polarization in antiphase gratings, the rays in the vertical plane multiply with a decrease in their level, then, for example, layout of the rulers, formation - selection of the phase distribution in the vertical plane, the cross-polarization radiation is substantially reduced (scattered) to a low, acceptable level without harming the radiation patterns on the main polarization.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение максимального уровня кроссполяризационных лепестков ВЩАР на основе волноводных линеек с попеременно наклонными щелями в узкой стенке прямоугольного волновода.The problem to which the invention is directed, is to reduce the maximum level of cross-polarization lobes VCHAR based on waveguide rulers with alternately inclined slots in the narrow wall of a rectangular waveguide.

Техническим результатом предложения является повышение помехозащищенности РЛС посредством снижения уровня лепестков на кроссполяризации до уровня лепестков на основной поляризации.The technical result of the proposal is to increase the radar noise immunity by reducing the level of the lobes on the cross polarization to the level of the lobes on the main polarization.

Для решения поставленных задач представлено три варианта волноводно-щелевой антенной решетки.To solve the set tasks, three variants of a slot-waveguide antenna array are presented.

В первом варианте волноводно-щелевой антенной решетки, включающей в себя противофазные волноводные линейки с переменно-наклонными щелями на узкой стенке волновода и соответствующий противофазный делитель мощности, запитывающий их, фазовое распределение вычисляется методом перебора в общей схеме волноводно-щелевой антенной решетки в вертикальной плоскости для кроссполяризационного излучения по критерию минимума максимального уровня кроссполяризационных лепестков, которое осуществляется раскладкой противофазных волноводных линеек.In the first version of the waveguide-slot antenna array, which includes antiphase waveguide arrays with variable-inclined slots on the narrow wall of the waveguide and the corresponding antiphase power divider feeding them, the phase distribution is calculated by searching in the general scheme of the waveguide-slot antenna array in the vertical plane for cross-polarization radiation by the criterion of the minimum maximum level of cross-polarization lobes, which is carried out by the layout of antiphase waveguide lines ek.

Во втором варианте волноводно-щелевой антенной решетки, включающей в себя противофазные волноводные линейки с переменно-наклонными щелями на узкой стенке волновода и соответствующий противофазный делитель мощности, запитывающий их, фазовое распределение вычисляется методом перебора в общей схеме волноводно-щелевой антенной решетки в вертикальной плоскости для кроссполяризационного излучения по критерию минимума максимального уровня кроссполяризационных лепестков, которое осуществляется разворотом на 180° волноводно-коаксиальных переходов.In the second version of the waveguide-slot antenna array, which includes antiphase waveguide arrays with variable-inclined slots on the narrow wall of the waveguide and the corresponding antiphase power divider supplying them, the phase distribution is calculated by enumeration in the general scheme of the waveguide-slot antenna array in the vertical plane for cross-polarization radiation according to the criterion of the minimum maximum level of cross-polarization lobes, which is carried out by a 180 ° turn of waveguide-coaxial transitions.

А в третьем варианте волноводно-щелевой антенной решетки, включающей в себя противофазные волноводные линейки с переменно-наклонными щелями на узкой стенке волновода и соответствующий противофазный делитель мощности, запитывающий их, фазовое распределение вычисляется методом перебора в общей схеме волноводно-щелевой антенной решетки в вертикальной плоскости для кроссполяризационного излучения по критерию минимума максимального уровня кроссполяризационных лепестков, которое вводится в фазовое сканирование луча на основной поляризации при наличии фазовращателей в схеме антенны.And in the third version of the waveguide-slot antenna array, which includes antiphase waveguide arrays with variable-inclined slots on the narrow wall of the waveguide and the corresponding antiphase power divider feeding them, the phase distribution is calculated by enumeration in the general scheme of the waveguide-slot antenna array in the vertical plane for cross-polarization radiation by the criterion of the minimum maximum level of cross-polarization lobes, which is introduced into the phase scanning of the beam in the main polar In the presence of phase shifters in the antenna circuit.

Суть предлагаемого решения состоит в том, что волноводно-щелевая решетка с попеременно наклонными щелями на узкой стенке волновода строится по схеме, в которой поле кроссполяризационной составляющей фазируется таким образом, что максимумы излучения на «паразитной» поляризации размываются в плоскости, поперечной волноводным линейкам. В результате излучение всех щелей на основной поляризации происходит синфазно, в то время как фаза излучения на паразитной поляризации меняется от линейки к линейке на 180° в заданном порядке.The essence of the proposed solution is that a waveguide-slot array with alternately inclined slots on a narrow wall of the waveguide is constructed according to a scheme in which the field of the cross-polarization component is phased in such a way that the radiation maximums on the “spurious” polarization are smeared in a plane transverse to the waveguide bars. As a result, the radiation of all the gaps on the main polarization occurs in phase, while the phase of radiation on the spurious polarization changes from line to line by 180 ° in the specified order.

Сущность предложения проиллюстрирована рисунками 1 и 2 на примере моделирования антенны из 94 волноводных линеек с наклонными щелями на узкой стенке. Приведенная в примере ВЩАР проектировалась на рабочей горизонтальной поляризации с амплитудным распределением $F (x) = 1 + 5 \cos^{2} \frac{π x}{2}$

на уровень лепестков -34 дБ.The essence of the proposal is illustrated in Figures 1 and 2 on the example of modeling an antenna of 94 waveguide arrays with inclined slots on a narrow wall. The VShAR given in the example was designed on a working horizontal polarization with an amplitude distribution

F (x) = one + 5 \cos^{2} \frac{π x}{2}

at the level of the petals -34 dB.

На рис. 1 изображена упрощенная схема построения варианта волноводно-щелевой антенны со специальным нерегулярным расположением в антенне линеек с противоположными знаками наклона щелей.In fig. 1 shows a simplified diagram of the construction of a variant of a waveguide-slot antenna with a special irregular arrangement of rulers with opposite signs of slope inclination in the antenna.

На рис. 2 приведено фазовое распределение волноводно-щелевой решетки с этим специальным нерегулярным расположением линеек.In fig. Figure 2 shows the phase distribution of a waveguide-slot array with this special irregular arrangement of rulers.

В приведенном примере на рис. 1 и рис. 2 в антенне с 94 линейками уровень кроссполяризационного излучения снижается до -30 дБ.In the example shown in fig. 1 and fig. 2 in an antenna with 94 lines, the level of cross-polarization radiation decreases to -30 dB.

Таким образом, процесс изобретения выполняется двумя операциями: находится, вычисляется фазовое распределение в вертикальной плоскости для подавления кроссполяризационных лепестков (лучей) до приемлемого уровня (в приведенном примере до -30 дБ). Затем определяются средства для осуществления его: раскладка, разворот на 180° волноводно-коаксиальных переходов (ВКП), введение дополнительного постоянного фазового распределения при наличии фазовращателей в схеме антенны.Thus, the process of the invention is carried out in two steps: it is found, the phase distribution in the vertical plane is calculated to suppress the cross-polarization lobes (rays) to an acceptable level (in the given example, up to -30 dB). Then, the means for its implementation are determined: layout, 180 ° turn of waveguide-coaxial transitions (CWP), introduction of an additional constant phase distribution in the presence of phase shifters in the antenna circuit.

Claims

1. The waveguide-slot antenna array, which includes antiphase waveguide arrays with variable-inclined slots on the narrow wall of the waveguide and a corresponding antiphase power divider feeding them, characterized in that in the general scheme of the waveguide-slot antenna array in the vertical plane, the phase distribution is calculated search method for cross-polarization radiation according to the criterion of the minimum maximum level of cross-polarization lobes, which is carried out by the layout of antiphase waveguides lines.

2. The waveguide-slot antenna array, which includes antiphase waveguide arrays with variable-inclined slots on the narrow wall of the waveguide and a corresponding antiphase power divider feeding them, characterized in that in the general scheme of the waveguide-slot antenna array in the vertical plane, the phase distribution is calculated enumeration method for cross-polarization radiation according to the criterion of the minimum maximum level of cross-polarization lobes, which is carried out by a 180 ° turn of the waveguide-coaxial transitions.

3. The waveguide-slot antenna array, which includes antiphase waveguide arrays with variable-inclined slots on the narrow wall of the waveguide and a corresponding antiphase power divider feeding them, characterized in that in the general scheme of the waveguide-slot antenna array in the vertical plane, the phase distribution is calculated enumeration method for cross-polarization radiation according to the criterion of the minimum maximum level of cross-polarization lobes, which is introduced into the phase scanning of the beam on the main floor polarization in the presence of phase shifters in the antenna circuit.