RU2522909C2 - Wave antenna array - Google Patents
Wave antenna array Download PDFInfo
- Publication number
- RU2522909C2 RU2522909C2 RU2012148337/08A RU2012148337A RU2522909C2 RU 2522909 C2 RU2522909 C2 RU 2522909C2 RU 2012148337/08 A RU2012148337/08 A RU 2012148337/08A RU 2012148337 A RU2012148337 A RU 2012148337A RU 2522909 C2 RU2522909 C2 RU 2522909C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- plane
- array
- additional
- dipoles
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны радиолокационной или связной системы.The invention relates to antenna technology and can be used as an antenna of a radar or communication system.
Фазированные антенные решетки (ФАР) широко используются в различных радиотехнических системах. К числу их достоинств относятся широкие функциональные возможности, которые обеспечиваются за счет использования электрически управляемых элементов - фазовращателей. С их помощью можно решать широкий круг задач, к которым относятся: обзор пространства узким лучом (сканирование), формирование диаграмм направленности (ДМ) сложной формы, например косекансной, ДН с заданным расположением нулей и т.д.Phased array antennas (PAR) are widely used in various radio systems. Among their advantages are wide functional capabilities, which are provided through the use of electrically controlled elements - phase shifters. With their help, it is possible to solve a wide range of problems, which include: viewing a space with a narrow beam (scanning), forming radiation patterns (DM) of a complex shape, for example, cosecant, a beam with a given arrangement of zeros, etc.
Важной составной частью ФАР является ее излучающая часть - антенная решетка (АР), которая обеспечивает преобразование направляемых волн в каналах ФАР в волны излучения свободного пространства и, наоборот, преобразование волн излучения в направляемые волны. AP во многом определяет такие важные показатели качества ФАР, как ее коэффициент усиления (КУ), сектор сканирования, диапазон рабочих частот и ряд других.An important component of the PAR is its radiating part - the antenna array (AR), which provides the conversion of the guided waves in the PAR channels into radiation waves of free space and, conversely, the conversion of radiation waves into guided waves. AP largely determines such important indicators of the quality of the headlamp as its gain (KU), the scanning sector, the range of operating frequencies and several others.
Известны разные виды AP. Их принято классифицировать по типу излучателей, которые формируют решетку: волноводные, полосковые, вибраторные излучатели. Им соответствуют волноводные, полосковые и вибраторные АР.Different types of AP are known. They are usually classified according to the type of emitters that form the lattice: waveguide, strip, vibrator emitters. They correspond to waveguide, strip and vibratory ARs.
Излучатели AP располагаются периодически в плоскости, которую принято называть плоскостью решетки. При этом они формируют двумерно-периодическую структуру, которая может иметь прямоугольную или гексагональную сетки. Они являются частными случаями сетки наиболее общего вида - косоугольной.The emitters AP are located periodically in the plane, which is usually called the plane of the lattice. Moreover, they form a two-dimensional-periodic structure, which may have a rectangular or hexagonal grid. They are special cases of a mesh of the most general form - oblique.
Данное изобретение относится к волноводным AP. Известны волноводные решетки, в которых излучатели выполнены в виде многосекционных сочленений отрезков волноводов, которые заполнены диэлектриками, отрезки волноводов имеют оси, параллельные друг другу, а оси отрезков волноводов расположены перпендикулярно плоскости решетки (Патент США №3938158, 1976, Antenna element for circular or linear polarization, J.D.Birch, M.C.Mohr, S.R.Monaghan). Выполнение излучателя AP в виде многосекционного волноводного сочленения, волноводы которого заполнены диэлектриками, позволяет решать две задачи. Первая задача состоит в устранении побочных максимумов излучения в секторе сканирования. Из теории ФАР известно, что при отклонении главного луча (ГЛ) ДН от нормали к плоскости решетки при периоде решетки P большем половины длины волны в свободном пространстве λ0 в ДН ФАР возникают побочные максимумы с интенсивностью, сравнимой с основным максимумом ДН. Угол отклонения ГЛ θC от нормали к плоскости решетки, при котором возникает побочный максимум, определяется следующим известным соотношением:This invention relates to waveguide APs. There are known waveguide arrays in which emitters are made in the form of multi-section joints of waveguide segments that are filled with dielectrics, waveguide segments have axes parallel to each other, and the axis of the waveguide segments are perpendicular to the plane of the array (US Patent No. 3938158, 1976, Antenna element for circular or linear polarization, JDBirch, MCMohr, SRMonaghan). The implementation of the emitter AP in the form of a multi-section waveguide joint, the waveguides of which are filled with dielectrics, allows us to solve two problems. The first task is to eliminate the incident maximum radiation in the scanning sector. From the PAR theory, it is known that when the main beam (GL) of a beam deviates from the normal to the plane of the lattice for a lattice period P greater than half the wavelength in the free space λ 0 , side maxima arise in the PD of the PD with an intensity comparable to the main maximum of the beam. The angle of deviation of the GL θ C from the normal to the plane of the lattice, at which a secondary maximum occurs, is determined by the following known relation:
С другой стороны, также известно, что основная волна, например, прямоугольного волновода может распространяться только, когда размер его широкой стенки а больше половины длины волны в среде, заполняющей волновод:On the other hand, it is also known that the main wave, for example, of a rectangular waveguide, can propagate only when the size of its wide wall is greater than half the wavelength in the medium filling the waveguide:
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды. Таким образом, одновременно иметь ненулевой сектор сканирования без побочных максимумов (θC>0) в волноводной AP из волноводов, находящихся в рабочем режиме (неравенство (2) выполняется) можно только при заполнении волноводов средами с ε>1.where ε is the relative dielectric constant of the medium. Thus, at the same time, it is possible to have a nonzero scanning sector without incident maxima (θ C > 0) in the waveguide AP from waveguides in the operating mode (inequality (2)) only when the waveguides are filled with media with ε> 1.
Использование излучателей в виде многосекционных волноводных сочленений позволяет улучшить согласование AP в заданном секторе сканирования и заданном диапазоне рабочих частот. При этом следует отметить, что возможности согласования AP в широком секторе сканирования за счет выбора параметров многосекционных волноводных сочленений ограничены. Как правило, с их помощью удается добиться согласования для сравнительно небольших углов отклонения ГЛ θ<30°.The use of emitters in the form of multisectional waveguide joints allows improving AP matching in a given scanning sector and a given range of operating frequencies. It should be noted that the possibilities of matching AP in a wide scanning sector due to the choice of parameters of multisectional waveguide joints are limited. As a rule, they can be used to achieve agreement for relatively small GL deviation angles θ <30 °.
Увеличение сектора сканирования до 45°-60° требует использования дополнительных элементов. Известны волноводные AP, в которых для расширения сектора сканирования используют дополнительные диэлектрические слои, расположенные параллельно плоскости решетки (McGill, Е.G., and Н.A.Wheeler, "Wide Angle Impedance Matching of a Planar Array Antenna by a Dielectric Sheet," IEEE Trans, on Antennas and Propagation, Vol.AP-14, No.1, January 1966, pp.49-53). Как правило, из конструктивных соображений их размещают непосредственно в плоскости обрыва волноводов AP. Недостатком AP с диэлектрическими слоями является появление эффекта ослепления решетки. Этот эффект состоит в том, что в некоторых направлениях, которые получили название слепых углов, решетка становится неработоспособной из-за резкого роста коэффициента отражения. В этих углах AP не может передавать сигналы в свободное пространство и принимать их оттуда. Появление слепых углов обусловлено возбуждением поверхностных волн в диэлектрическом слое. Эти волны уносят энергию в направлении, параллельном плоскости решетки, и препятствуют обмену энергией между каналами AP и свободным пространством.Increasing the scanning sector to 45 ° -60 ° requires the use of additional elements. Waveguide APs are known in which additional dielectric layers parallel to the plane of the array are used to expand the scanning sector (McGill, E.G., and H. A. Weeler, "Wide Angle Impedance Matching of a Planar Array Antenna by a Dielectric Sheet," IEEE Trans, on Antennas and Propagation, Vol. AP-14, No.1, January 1966, pp. 49-53). As a rule, for structural reasons, they are placed directly in the breakage plane of AP waveguides. A drawback of AP with dielectric layers is the appearance of a lattice blind effect. This effect consists in the fact that in some directions, which are called blind angles, the lattice becomes inoperative due to a sharp increase in the reflection coefficient. At these angles, the AP cannot transmit signals and take them from there. The appearance of blind angles is due to the excitation of surface waves in the dielectric layer. These waves carry energy in a direction parallel to the plane of the lattice and prevent the energy exchange between the AP channels and the free space.
Известны вибраторные AP, в которых для улучшения согласования в широком секторе углов используется дополнительная решетка, элементами которой являются электрические диполи, оси которых перпендикулярны плоскости решетки (Сурков В.И. Влияние согласующих штырей на параметры вибраторных ФАР // Труды МЭИ, 1981, вып.553, с.40-44). Дополнительная решетка выполнена с прямоугольной сеткой, а ее плоскость параллельна плоскости вибраторной AP. Применение дополнительной решетки позволяет улучшить согласование AP при больших углах отклонения ГЛ ДН в плоскости вектора электрического поля E. При этом согласование AP при малых углах отклонения не ухудшается за счет введения вертикальных электрических диполей. В результате удается расширить сектор сканирования AP в плоскости вектора E. Недостатком данного технического решения является то, что расширение сектора сканирования достигается только в одной плоскости и для волн одной линейной поляризации.Vibrator APs are known in which an additional lattice is used to improve coordination in a wide sector of angles, the elements of which are electric dipoles whose axes are perpendicular to the plane of the lattice (Surkov V.I. Influence of matching pins on the parameters of vibrator headlamps // Transactions of MPEI, 1981, no. 553, pp. 40-44). An additional grate is made with a rectangular grid, and its plane is parallel to the plane of the vibrator AP. The use of an additional lattice makes it possible to improve the matching of APs at large angles of deviation of the ML GLs in the plane of the electric field vector E. Moreover, the matching of APs at small angles of deviation does not deteriorate by introducing vertical electric dipoles. As a result, it is possible to expand the scanning sector AP in the plane of the vector E. The disadvantage of this technical solution is that the expansion of the scanning sector is achieved only in one plane and for waves of the same linear polarization.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой волноводной AP является решетка (Eom AS.-Y., Park Н.-К., Jeon S.-J„ et al. Shaping of flat-topped element patterns in a planar array of circular waveguides using a multilayered disk structure - Part II: Experimental study and comparison. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, May 2003. Vol.51, N5, P.1048-1053), содержащая решетку излучателей и дополнительную решетку, излучатели расположены в узлах основной плоской двумерной сетки и выполнены в виде многосекционных сочленений отрезков волноводов, которые заполнены диэлектриками, отрезки волноводов имеют оси, параллельные друг другу и перпендикулярные плоскости решетки, дополнительная решетка выполнена из пассивных рассеивателей, которые расположены вне излучателей в узлах дополнительной плоской двумерной сетки, которая параллельна основной плоской двумерной сетке.The closest technical solution to the claimed waveguide AP is a grating (Eom AS.-Y., Park N.-K., Jeon S.-J „et al. Shaping of flat-topped element patterns in a planar array of circular waveguides using a multilayered disk structure - Part II: Experimental study and comparison. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, May 2003. Vol.51, N5, P.1048-1053), containing emitter lattice and additional lattice, emitters are located in the nodes of the main flat two-dimensional grid and made in the form of multisection joints of waveguide segments that are filled with dielectrics, waveguide segments have axes parallel to each other and perpendicular to oskosti lattice grid is made of additional passive scatterers which are located at the nodes of emitters is more flat two-dimensional grid, which is parallel to the principal plane of two-dimensional grid.
К числу недостатков такой AP можно отнести узкий сектор сканирования, который обусловлен тем, что дополнительная решетка в известном техническом решении эффективно согласует решетку излучателей при малых углах отклонения ГЛ, то есть там, где ее можно эффективно согласовать, выбирая параметры волноводных сочленений, а при больших углах отклонения дополнительная решетка слабо взаимодействует с волнами и не может использоваться для согласования решетки излучателей. Кроме того, параметры многосекционных сочленений отрезков волноводов в известном техническом решении выбраны неоптимальным образом, что дополнительно приводит к сужению сектора сканирования волноводной AP.The disadvantages of such an AP include a narrow scanning sector, which is due to the fact that the additional grating in the known technical solution effectively matches the emitter grating for small GL deviation angles, that is, where it can be effectively matched by choosing the parameters of the waveguide joints, and for large at deflection angles, the additional lattice weakly interacts with the waves and cannot be used to match the emitter lattice. In addition, the parameters of the multi-section joints of the waveguide segments in the known technical solution are chosen non-optimal way, which additionally leads to a narrowing of the scanning sector of the waveguide AP.
Предлагаемое техническое решение нацелено на получение технического результата, выражающегося в расширении сектора сканирования волноводной AP. Получаемый технический результат выражается в повышении быстродействия и снижения стоимости обзорной ФАР, в состав которой входит волноводная АР. Снижение стоимости достигается за счет уменьшения числа волноводных AP в составе обзорной ФАР, необходимых для обзора заданного сектора углов. Повышение быстродействия достигается путем исключения механического сканирования и перехода к электронному сканированию.The proposed technical solution is aimed at obtaining a technical result, expressed in the expansion of the scanning sector of the waveguide AP. The technical result obtained is expressed in increasing the speed and reducing the cost of the surveillance headlamp, which includes a waveguide AR. Cost reduction is achieved by reducing the number of waveguide APs in the survey headlamp required to review a given angle sector. Improving performance is achieved by eliminating mechanical scanning and the transition to electronic scanning.
Предлагаемая волноводная AP, содержащая решетку излучателей и дополнительную решетку, излучатели расположены в узлах основной плоской двумерной сетки и выполнены в виде многосекционных сочленений отрезков волноводов, которые заполнены диэлектриками, отрезки волноводов имеют оси, параллельные друг другу и перпендикулярные плоскости решетки, дополнительная решетка выполнена из пассивных рассеивателей, которые расположены вне излучателей в узлах дополнительной плоской двумерной сетки, которая параллельна основной плоской двумерной сетке, решает задачу расширения сектора сканирования.The proposed waveguide AP, containing a radiator array and an additional array, emitters are located in the nodes of the main flat two-dimensional grid and are made in the form of multisection joints of waveguide segments that are filled with dielectrics, waveguide segments have axes parallel to each other and perpendicular to the plane of the array, the additional array is made of passive scatterers that are located outside the emitters in the nodes of the additional two-dimensional flat grid, which is parallel to the main two-dimensional plane with Net, solves the problem of expanding the scanning sector.
Эти задачи решаются за счет того, что пассивные рассеиватели выполнены в виде электрических и магнитных диполей, оси которых перпендикулярны плоскости решетки.These problems are solved due to the fact that passive scatterers are made in the form of electric and magnetic dipoles, whose axes are perpendicular to the plane of the lattice.
Возможны дополнительные варианты выполнения волноводной AP. В дополнительном варианте, обеспечивающем улучшение согласования преимущественно в плоскости вектора электрического поля, электрические диполи выполнены в виде металлических проводников, оси которых перпендикулярны плоскости решетки, а магнитные диполи выполнены в виде металлических колец, плоскости которых параллельны плоскости решетки.Additional embodiments of the waveguide AP are possible. In an additional embodiment, which provides better matching mainly in the plane of the electric field vector, electric dipoles are made in the form of metal conductors whose axes are perpendicular to the plane of the lattice, and magnetic dipoles are made in the form of metal rings whose planes are parallel to the plane of the lattice.
В дополнительном варианте, обеспечивающем улучшенное согласование при сканировании в плоскостях векторов электрического и магнитного полей, электрические диполи выполнены в виде металлических проводников, оси которых перпендикулярны плоскости решетки, а магнитные диполи выполнены в виде резонаторов с расщепленными кольцами, плоскость которых параллельна плоскости решетки.In an additional option, which provides improved matching when scanning vectors of electric and magnetic fields in planes, electric dipoles are made in the form of metal conductors whose axes are perpendicular to the plane of the lattice, and magnetic dipoles are made in the form of resonators with split rings, the plane of which is parallel to the plane of the lattice.
В дополнительном варианте, обеспечивающем простоту конструкции волноводной AP, электрические и магнитные диполи выполнены в виде металлических спиралей, оси которых перпендикулярны плоскости решетки.In an additional embodiment, which ensures the simplicity of the waveguide AP design, electric and magnetic dipoles are made in the form of metal spirals whose axes are perpendicular to the plane of the grating.
В дополнительном варианте, обеспечивающем улучшенное согласование волноводной AP при малых углах отклонения ГЛ, основная плоская двумерная сетка выполнена квадратной с периодом P, а многосекционное сочленение отрезков волноводов выполнено двухсекционным с излучающим отрезком волновода и с входным отрезком волновода, излучающий отрезок волновода выполнен с квадратным поперечным сечением, а входной отрезок волновода выполнен с прямоугольным сечением, излучающий и входной отрезки волноводов заполнены диэлектриками с одинаковой относительной диэлектрической проницаемостью ε, причем излучающий отрезок волновода длиной L и шириной a 1 выполнен в соответствии с условием:In an additional version providing improved matching of the waveguide AP at small GL deviation angles, the main planar two-dimensional grid is square with a period P, and the multi-sectional joint of the waveguide segments is made two-section with the radiating waveguide segment and the input waveguide segment, the radiating waveguide segment is made with a square cross section and the input segment of the waveguide is made with a rectangular cross section, the radiating and input segments of the waveguides are filled with dielectrics with the same ratio dielectric constant ε, and the radiating segment of the waveguide of length L and width a 1 is made in accordance with the condition:
где λ0 - длина волны в свободном пространстве на центральной частоте рабочего диапазона волноводной AP, внутренние размеры поперечного сечения входного отрезка волновода a 2 и b2 выбраны в соответствии с условиями:where λ 0 is the wavelength in free space at the central frequency of the working range of the waveguide AP, the internal dimensions of the cross section of the input section of the waveguide a 2 and b 2 are selected in accordance with the conditions:
На фиг.1 представлен один из возможных вариантов выполнения волноводной AP в виде трех проекций ее периода. Период волноводной AP содержит излучатель (1), несколько периодов дополнительной решетки (2). Излучатель (Г) выполнен в виде многосекционного сочленения отрезков волноводов. На фиг.1 изображен излучатель (1), выполненный в виде трехсекционного сочленения отрезков волноводов. Отрезок волновода (3), расположенный напротив дополнительной решетки (2), излучает энергию в свободное пространство и поэтому является излучающим отрезком волновода, а отрезок волновода (4), расположенный на противоположном конце излучателя (1), является входным отрезком волновода. Дополнительная решетка (2) состоит из электрических диполей (5) и магнитных диполей (6). Многосекционное сочленение отрезков волноводов имеет входную плоскость (7) и излучающую плоскость (8), к которым примыкают соответственно входной отрезок волновода (4) и излучающий отрезок волновода (3).Figure 1 presents one of the possible embodiments of the waveguide AP in the form of three projections of its period. The waveguide period AP contains a radiator (1), several periods of an additional grating (2). The emitter (G) is made in the form of a multi-section joint of segments of waveguides. Figure 1 shows the emitter (1), made in the form of a three-section joint of the segments of the waveguides. A segment of the waveguide (3), located opposite the additional grating (2), radiates energy into free space and therefore is a radiating segment of the waveguide, and a segment of the waveguide (4) located at the opposite end of the emitter (1) is the input segment of the waveguide. The additional lattice (2) consists of electric dipoles (5) and magnetic dipoles (6). The multisectional joint of the waveguide segments has an input plane (7) and a radiating plane (8), which are adjacent to the input waveguide segment (4) and the radiating waveguide segment (3), respectively.
На фиг.2 показана решетка излучателей (1), которые расположены в узлах основной плоской двумерной сетки (9), которая на фиг.2 является прямоугольной сеткой. Она в общем случае может иметь разные периоды вдоль осей 0x и 0y: P1x и P1y (см. фиг.1). Если периоды равны друг другу, то такая прямоугольная сетка вырождается в квадратную. Оси всех отрезков волноводов в одном излучателе (1) параллельны друг другу. Также оси указанных отрезков волноводов в излучателях, расположенных в разных периодах, параллельны друг другу и перпендикулярны плоскости решетки излучателей, которая на фиг.2 параллельна плоскости XOY, а также входной плоскости (7) и излучающей плоскости (8).Figure 2 shows the array of emitters (1), which are located in the nodes of the main flat two-dimensional grid (9), which in figure 2 is a rectangular grid. In the general case, it can have different periods along the axes 0x and 0y: P 1x and P 1y (see Fig. 1). If the periods are equal to each other, then such a rectangular grid degenerates into a square. The axes of all segments of the waveguides in one emitter (1) are parallel to each other. Also, the axes of the indicated segments of the waveguides in the emitters located in different periods are parallel to each other and perpendicular to the plane of the emitter lattice, which in Fig. 2 is parallel to the XOY plane, as well as the input plane (7) and the emitting plane (8).
На фиг.3 показана дополнительная решетка, которая состоит из электрических диполей (5) и магнитных диполей (6), которые расположены в узлах дополнительной плоской сетки (10). Дополнительная плоская сетка (10), параллельная основной плоской сетке, на фиг.3 дополнительная плоская сетка является прямоугольной сеткой с периодами P2x и P2y (см. фиг.1). Электрические диполи (5) и магнитные диполи (6) могут находиться на разных расстояниях he,m от излучающей плоскости (8).Figure 3 shows an additional lattice, which consists of electric dipoles (5) and magnetic dipoles (6), which are located in the nodes of the additional flat grid (10). An additional planar grid (10) parallel to the main planar grid, in FIG. 3, the additional planar grid is a rectangular grid with periods P 2x and P 2y (see FIG. 1). Electric dipoles (5) and magnetic dipoles (6) can be at different distances h e, m from the radiating plane (8).
Рассмотрим функционирование волноводной AP. В силу того, что волноводная AP является взаимным устройством, ее можно рассматривать как в передающем, так и в приемном режимах. Рассмотрим работу волноводной AP на передачу (см. фиг.4). Пусть со стороны входной плоскости (7) по волноводным каналам излучателей (1) набегают возбуждающие излучатели (1) волны. Они могут быть сформированы специальными элементами ФАР, в состав которой входит волноводная AP. Например, это могут быть многоканальный делитель мощности и система фазовращателей, которые позволяют произвольным образом устанавливать распределение фаз волн в выходных каналах делителя мощности.Consider the operation of a waveguide AP. Due to the fact that the waveguide AP is a mutual device, it can be considered both in the transmitting and in the receiving modes. Consider the operation of the waveguide AP transmission (see figure 4). Let the exciting emitters (1) of the wave run along the input plane (7) along the waveguide channels of the emitters (1). They can be formed by special elements of the PAR, which includes a waveguide AP. For example, it can be a multi-channel power divider and a system of phase shifters that allow you to arbitrarily set the phase distribution of the waves in the output channels of the power divider.
Наиболее распространенным режимом работы ФАР является режим квазипериодического возбуждения, когда волны в соседних каналах имеют одинаковые амплитуды, а фазы волн зависят линейно от номеров каналов. Пусть номер n описывает положение канала вдоль оси 0x, а номер m - вдоль оси 0у. Тогда комплексная амплитуда волны Un,m в канале с номерами n и m записывается следующим образом:The most common mode of operation of the phased array is the quasiperiodic excitation mode, when the waves in adjacent channels have the same amplitudes, and the phases of the waves depend linearly on the channel numbers. Let the number n describe the position of the channel along the axis 0x, and the number m - along the axis 0y. Then the complex wave amplitude U n, m in the channel with numbers n and m is written as follows:
где V - амплитуда волны в канале с нулевыми номерами, Δφх - сдвиг фазы по оси 0х, Δφy - сдвиг фазы по оси 0у. Пусть канал с нулевыми номерами расположен в начале координат.where V is the wave amplitude in the channel with zero numbers, Δφ x is the phase shift along the 0x axis, Δφ y is the phase shift along the 0y axis. Let the channel with zero numbers be located at the origin.
Будем рассматривать наиболее интересную с практической точки зрения волноводную AP с большим коэффициентом направленного действия (КНД). Такие решетки имеют большие электрические размеры как по оси 0x, так и по оси 0y. Большие электрические размеры AP позволяют пренебречь краевыми эффектами, возникающими на ее границах, и анализировать как бесконечную AP (см. Амитей И., Галиндо В., By Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток. М.: Мир, 1974). В этом случае волноводная AP излучает в свободное пространство поле в виде плоских волн. Число таких волн зависит от периодов решетки излучателей (1): P1x,y и длины волны в свободном пространстве λ на рабочей частоте f. Обычно периоды выбираются таким образом, чтобы в рабочем диапазоне частот и в секторе сканирования существовала одна излучаемая волна. В этом случае волноводная AP имеет один главный максимум ДН. Плоская волна может быть описана углами излучения θ, φ, которые зависят от фазовых сдвиговWe will consider the most interesting from a practical point of view waveguide AP with a large coefficient of directional action (KND). Such gratings have large electrical dimensions both along the 0x axis and along the 0y axis. The large electrical dimensions of the AP make it possible to neglect the edge effects arising at its boundaries and analyze it as an infinite AP (see Amitei I., Galindo V., By Ch. Theory and analysis of phased antenna arrays. M .: Mir, 1974). In this case, the waveguide AP emits a field in the form of plane waves into free space. The number of such waves depends on the periods of the emitter lattice (1): P1 x, y and the wavelength in free space λ at the operating frequency f. Typically, the periods are selected so that in the operating frequency range and in the scanning sector there is one emitted wave. In this case, the waveguide AP has one main maximum of the pattern. A plane wave can be described by radiation angles θ, φ, which depend on phase shifts
Углы θ, φ вводятся в сферической системе координат стандартным образом: угол места θ отсчитывается от оси 0z, а азимутальный угол φ - от оси 0х (см. фиг.4). Отметим, что углы θ, φ определяют положение ГЛ ДН. Под сектором сканирования обычно понимается максимальное значение угла места θm:The angles θ, φ are introduced in a spherical coordinate system in a standard way: the elevation angle θ is measured from the axis 0z, and the azimuthal angle φ is measured from the axis 0x (see Fig. 4). We note that the angles θ and φ determine the position of the GL of the DN. The scanning sector is usually understood as the maximum value of the elevation angle θ m :
Условие отсутствия побочных максимумов ДН при сканировании, например в плоскости XOZ, выражается известным неравенством:The condition for the absence of incident side maxima of the pattern during scanning, for example, in the XOZ plane, is expressed by the well-known inequality:
Аналогичное соотношение может быть записано для сканирования в плоскости YOZ.A similar ratio can be recorded for scanning in the YOZ plane.
Модель бесконечной волноводной AP позволяет анализировать процесс излучения в свободное пространство с помощью эквивалентной схемы, показанной на фиг.5. Такая возможность следует из теории бесконечных AP (Амитей Н., Галиндо В., By Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток. М.: Мир, 1974).The model of an infinite waveguide AP allows you to analyze the process of radiation into free space using the equivalent circuit shown in figure 5. Such a possibility follows from the theory of infinite APs (Amitei N., Galindo V., By Ch. Theory and analysis of phased antenna arrays. M: Mir, 1974).
Источник волноводных волн, возбуждающих излучатель (1) на фиг.5, моделируется источником напряжения Eg с внутренним сопротивлением Zw1, где Zw1 - характеристическое сопротивление входного отрезка волновода (4), один конец которого располагается на входной плоскости (7) (см. фиг.1). В общем случае многосекционное сочленение отрезков волноводов содержит N секций, которые описываются характеристическими сопротивлениями Zwq, постоянными распространения γwq и длинами Lwq, q=1…N.The source of the waveguide waves exciting the emitter (1) in Fig. 5 is modeled by a voltage source E g with an internal resistance Z w1 , where Z w1 is the characteristic resistance of the input section of the waveguide (4), one end of which is located on the input plane (7) (see Fig. 1). In the general case, the multi-section joint of waveguide segments contains N sections, which are described by characteristic resistances Z wq , propagation constants γ wq and lengths L wq , q = 1 ... N.
Каждое сочленение отрезков волноводов на эквивалентной схеме на фиг.5 представляется в виде четырехполюсника с матрицей рассеяния Swq, q=1…N-1. Четырехполюсник с матрицей рассеяния Sws описывает сочленение волноводной секции, соприкасающейся с плоскостью (8) излучения со свободным пространством. Все вместе указанные многополюсники и отрезки волноводов представляют собой модель решетки излучателей (1).Each joint of the waveguide segments in the equivalent circuit in FIG. 5 is represented as a four-terminal network with a scattering matrix S wq , q = 1 ... N-1. A quadripole with a scattering matrix S ws describes the articulation of the waveguide section in contact with the radiation plane (8) with free space. Together, these multipolar and waveguide segments are a model of the array of emitters (1).
Отрезки волноводов длиной hm и he-hm с характеристическим сопротивлением ZS и постоянной распространения γS моделируют участки пространства между плоскостью (8) излучения и магнитными диполями (6), а также между магнитными диполями (6) и электрическими диполями (5). Четырехполюсники с матрицами рассеяния Se и Sm описывают прохождение волн через электрические диполи (5) и магнитные диполи (6) соответственно. Вместе указанные четырехполюсники и отрезок волновода длиной he-hm представляют собой модель дополнительной решетки (2).The lengths of waveguides of length h m and h e -h m with characteristic impedance Z S and propagation constant γ S model the parts of the space between the radiation plane (8) and magnetic dipoles (6), as well as between magnetic dipoles (6) and electric dipoles (5 ) Quadrupoles with scattering matrices S e and S m describe the passage of waves through electric dipoles (5) and magnetic dipoles (6), respectively. Together, the four-terminal circuits and the length of the waveguide length h e -h m represent an additional lattice model (2).
Важным для понимания функционирования волноводной AP фактом является то, что параметры сочленений отрезков волноводов Zwq, γwq и Swq не зависят от угла θ, тогда как параметры сочленения со свободным пространством Sws зависят от угла θ. По этой причине в отсутствие дополнительной решетки (2) согласовать генератор Eg с нагрузкой выбором параметров отрезков волноводов можно только для одного выделенного значения угла θ, поскольку для другого угла матрица рассеяния Sws будет другой и нагрузка будет рассогласована с генератором. Как правило, параметры отрезков волноводов выбираются исходя из условия согласования при нулевом или достаточно малом угле θ.An important fact for understanding the functioning of the waveguide AP is that the joint parameters of the segments of the waveguides Z wq , γ wq and S wq are independent of the angle θ, while the parameters of the joint with the free space S ws depend on the angle θ. For this reason, in the absence of an additional grating (2), it is possible to match the generator E g with the load by choosing the parameters of the waveguide segments for only one selected angle θ, since for another angle the scattering matrix S ws will be different and the load will be mismatched with the generator. As a rule, the parameters of the waveguide segments are selected based on the matching condition for a zero or sufficiently small angle θ.
Согласование при больших углах отклонения ГЛ ДН представляет собой сложную задачу, так как коэффициент отражения от сочленения отрезка волновода со свободным пространством резко растет с ростом угла θ. Особенно это относится к углам, близким к критическому углу, при котором появляется побочный максимум ДН (см. неравенство (8)). В этом диапазоне углов модуль коэффициента отражения может приближаться к единице и согласовать генератор с нагрузкой в этом случае практически невозможно.Matching at large angles of deviation of the GL of the DN is a difficult task, since the reflection coefficient from the joint of the waveguide segment with free space increases sharply with increasing angle θ. This is especially true for angles close to the critical angle at which the incident maximum of the DN appears (see inequality (8)). In this range of angles, the reflection coefficient modulus can approach unity and it is practically impossible to match the generator with the load.
Функцию согласования при больших углах отклонения ГЛ ДН выполняет дополнительная решетка (2). Рассмотрим ее функционирование отдельно. Электрические диполи (5) и магнитные диполи (6) вне зависимости от их конструкции с электродинамической точки зрения могут быть описаны с помощью эквивалентных электрических магнитных токов je,m:The matching function at large angles of deviation of the main beam is performed by an additional lattice (2). Consider its operation separately. Electric dipoles (5) and magnetic dipoles (6), regardless of their design, can be described from the electrodynamic point of view using equivalent electric magnetic currents j e, m :
где токи je,m направлены вдоль осей диполей, pe,m - дипольные моменты,where the currents j e, m are directed along the axes of the dipoles, p e, m are the dipole moments,
E, H - компоненты электрического и магнитного полей, направленные вдоль осей диполей.E, H are the components of the electric and magnetic fields directed along the axes of the dipoles.
Из соотношения (9) следует, что токи в диполях и, следовательно, рассеянное ими поле появляются только в том случае, если падающее на диполи поле имеет продольные компоненты, направленные вдоль их осей. Рассмотрим структуру поля, излучаемого решеткой излучателей (1) в частном случае двухсекционного сочленения излучающего отрезка волновода (3) и входного отрезка волновода (4) (см. фиг.1). Пусть в излучающем отрезке волновода (3) распространяется волна, поляризованная в плоскости XOZ. У нее есть единственная компонента электрического поля Ex. Пусть также сканирование происходит в плоскости XOZ, то есть в плоскости вектора электрического поля E. В свободном пространстве поле имеет характер плоской волны, которая распространяется в плоскости XOZ под углом θ к оси 0z. У такой волны имеются три компоненты поля: Ex, Hy, Ez. Появление продольной компоненты электрического поля Ez поясняется на фиг.6.From relation (9) it follows that currents in dipoles and, therefore, the field scattered by them appear only if the field incident on the dipoles has longitudinal components directed along their axes. Consider the structure of the field emitted by the array of emitters (1) in the particular case of a two-section joint of the radiating segment of the waveguide (3) and the input segment of the waveguide (4) (see figure 1). Let a wave polarized in the XOZ plane propagate in the radiating segment of the waveguide (3). She has a single component of the electric field E x . Let scanning also take place in the XOZ plane, that is, in the plane of the electric field vector E. In free space, the field has the nature of a plane wave, which propagates in the XOZ plane at an angle θ to the 0z axis. Such a wave has three field components: E x , H y , E z . The appearance of the longitudinal component of the electric field E z is illustrated in Fig.6.
Таким образом, мы можем сделать вывод, что при сканировании в плоскости вектора E поле в свободном пространстве не имеет продольной компоненты магнитного поля, а имеет только продольную компоненту электрического поля, пропорциональную sinθ. Отсюда следует, что такое поле в силу соотношений (9) не возбуждает магнитные диполи (6), а взаимодействует только с электрическими диполями (5). Поэтому на фиг.6 показаны только электрические диполи (5).Thus, we can conclude that when scanning in the plane of the vector E, the field in free space does not have a longitudinal component of the magnetic field, but has only a longitudinal component of the electric field proportional to sinθ. It follows that this field, by virtue of relations (9), does not excite magnetic dipoles (6), but interacts only with electric dipoles (5). Therefore, only electric dipoles (5) are shown in FIG.
Электрические диполи (5) расположены в узлах дополнительной плоской сетки (10), имеющей периоды P2x,у. Эти периоды целесообразно выбрать из неравенства:Electric dipoles (5) are located at the nodes of an additional flat grid (10) having periods P 2x, у . It is advisable to choose these periods from the inequality:
Неравенство (10) обеспечивает отсутствие у дополнительной решетки (2) своих собственных дифракционных максимумов в секторе сканирования волноводной AP. При выполнении соотношения (10) падение на дополнительную плоскую сетку (10) плоской волны приводит к появлению отраженной волны с коэффициентом отражения R и прошедшей волны, которая описывается коэффициентом прохождения T.Inequality (10) ensures that the additional grating (2) does not have its own diffraction maxima in the scanning sector of the waveguide AP. When relation (10) is fulfilled, a fall on an additional plane grid (10) of a plane wave leads to the appearance of a reflected wave with a reflection coefficient R and a transmitted wave, which is described by the transmission coefficient T.
На фиг.7 показана расчетная зависимость модуля коэффициента отражения от дополнительной решетки (2), состоящей из электрических диполей (5). Кривые 11-14 соответствуют следующим значениям параметра α=0.1, 0.5, 1, 1.5. Безразмерный параметр α равен произведению дипольного момента ре на волновое сопротивление свободного пространства W0. Из фиг.7 хорошо видно, что при малых углах θ коэффициент отражения мал, а при θ=θ вообще равен нулю. С ростом угла θ он также растет. Поэтому присутствие дополнительной решетки (2) вблизи решетки излучателей (1) не нарушает ее согласования при относительно малых углах θ, то есть там, где она и так согласована путем выбора параметров многосекционных сочленений отрезков волноводов. При больших углах θ появляются большие по амплитуде отраженные от дополнительной решетки (2) волны, которые возвращаются к решетке излучателей (1) и могут быть использованы для ее согласования. Для этого необходимо выбрать расстояние от плоскости излучения (8) до электрических диполей (5) he таким образом, чтобы отраженная от дополнительной решетки (2) волна приходила к плоскости (8) излучения в противофазе с волной, отраженной от плоскости (8) излучения внутрь излучателя (1). В этом случае эти волны будут компенсировать друг друга и, таким образом, улучшать согласование излучателя (1).Figure 7 shows the calculated dependence of the modulus of the reflection coefficient on the additional lattice (2), consisting of electric dipoles (5). Curves 11-14 correspond to the following parameter values α = 0.1, 0.5, 1, 1.5. The dimensionless parameter α is equal to the product of the dipole moment p e and the wave resistance of the free space W 0 . From Fig. 7 it is clearly seen that at small angles θ the reflection coefficient is small, and at θ = θ it is generally zero. With increasing angle θ, it also grows. Therefore, the presence of an additional grating (2) near the emitter grating (1) does not violate its matching at relatively small angles θ, that is, where it is already matched by choosing the parameters of multi-section joints of waveguide segments. At large angles θ, waves of large amplitude reflected from the additional grating (2) appear, which return to the emitter grating (1) and can be used to match it. For this, it is necessary to choose the distance from the radiation plane (8) to electric dipoles (5) h e so that the wave reflected from the additional grating (2) comes to the radiation plane (8) in antiphase with the wave reflected from the radiation plane (8) inside the emitter (1). In this case, these waves will compensate each other and, thus, improve the matching of the emitter (1).
Аналогичный анализ можно провести при сканировании волны той же поляризации, но уже в плоскости YOZ, то есть в плоскости вектора магнитного поля H. В этом случае волна в свободном пространстве имеет следующие компоненты: Ex, Hy, Hz. Таким образом, при сканировании в данной плоскости не возбуждаются уже электрические диполи (5), а для согласования используются магнитные диполи (6). При этом для коэффициента отражения получаются кривые, аналогичные показанным на фиг.7. Фаза коэффициента отражения от дополнительной решетки (2) в плоскости вектора магнитного поля H может отличаться от фазы коэффициента отражения в плоскости вектора электрического поля E. Поэтому для компенсации волны, отраженной от плоскости (8) излучения внутрь излучателя (1), расстояние от плоскости излучения (8) до магнитных диполей (6) hm может отличаться от расстояния he.A similar analysis can be performed by scanning a wave of the same polarization, but already in the plane of YOZ, that is, in the plane of the magnetic field vector H. In this case, the wave in free space has the following components: E x , H y , H z . Thus, when scanning in this plane, electric dipoles (5) are not already excited, and magnetic dipoles (6) are used for matching. In this case, curves similar to those shown in Fig. 7 are obtained for the reflection coefficient. The phase of the reflection coefficient from the additional grating (2) in the plane of the magnetic field vector H may differ from the phase of the reflection coefficient in the plane of the electric field vector E. Therefore, to compensate for the wave reflected from the radiation plane (8) into the emitter (1), the distance from the radiation plane (8) to magnetic dipoles (6) h m may differ from the distance h e .
При сканировании в промежуточной плоскости возбуждаются одновременно электрические диполи (5) и магнитные диполи (6). В этом случае отраженная от дополнительной решетки (2) волна является суммой волн, отраженных от электрических диполей (5) и магнитных диполей (6).When scanning in the intermediate plane, electric dipoles (5) and magnetic dipoles (6) are simultaneously excited. In this case, the wave reflected from the additional lattice (2) is the sum of the waves reflected from electric dipoles (5) and magnetic dipoles (6).
Таким образом, мы показали, что с помощью дополнительной решетки (2) достигается улучшение согласования волноводной AP при больших углах отклонения ГЛ ДН и, следовательно, достигается расширение сектора сканирования волноводной АР.Thus, we have shown that with the help of an additional grating (2), an improvement in the matching of the waveguide AP is achieved at large angles of deviation of the GL of the beam and, therefore, an expansion of the scanning sector of the waveguide AR is achieved.
В первом дополнительном варианте волноводной AP электрические диполи выполнены в виде металлических проводников, оси которых перпендикулярны плоскости решетки, а магнитные диполи выполнены в виде металлических колец, плоскости которых параллельны плоскости решетки. По электрическому диполю (5), выполненному в виде металлического проводника, текут реальные электрические токи, направленные вдоль его оси. В магнитном диполе (6), выполненном в виде металлического кольца, реальный магнитный ток не течет. Однако, поле, которое создает металлическое кольцо, может быть описано виртуальным магнитным током (см. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. М.: Энергия, 1967). Этот магнитный ток направлен перпендикулярно плоскости металлического кольца. Поэтому магнитный диполь (6), эквивалентный металлическому кольцу, ориентирован также перпендикулярно плоскости кольца. Поэтому, располагая металлические проводники перпендикулярно плоскости решетки, а металлические кольца параллельно ей, мы создаем электрические диполи (5) и магнитные диполи (6) с осями, направленными перпендикулярно плоскости решетки в соответствии с основным вариантом выполнения изобретения.In a first additional embodiment of the waveguide AP, electric dipoles are made in the form of metal conductors whose axes are perpendicular to the plane of the lattice, and magnetic dipoles are made in the form of metal rings whose planes are parallel to the plane of the lattice. Real electric currents flowing along its axis flow along the electric dipole (5), made in the form of a metal conductor. In a magnetic dipole (6), made in the form of a metal ring, the real magnetic current does not flow. However, the field that creates the metal ring can be described by virtual magnetic current (see Markov G.T., Chaplin A.F. Excitation of electromagnetic waves. M.: Energy, 1967). This magnetic current is perpendicular to the plane of the metal ring. Therefore, the magnetic dipole (6), equivalent to a metal ring, is also oriented perpendicular to the plane of the ring. Therefore, by arranging metal conductors perpendicular to the plane of the lattice, and metal rings parallel to it, we create electric dipoles (5) and magnetic dipoles (6) with axes directed perpendicular to the plane of the lattice in accordance with the main embodiment of the invention.
Дипольные моменты pe,m зависят от конструкции диполя и от частоты. Отметим, что многие конструкции диполей проявляют резонансные свойства. В окрестности частоты резонанса величина дипольного момента резко растет. Это явление может быть эффективно использовано для повышения интенсивности взаимодействия поля с дополнительной решеткой (2). В волноводной решетке по первому дополнительному варианту резонансными свойствами обладают электрические диполи (5). Резонанс в них наступает, когда длина электрического диполя le приближается к половине длины волны в свободном пространстве. Магнитные диполи (6) резонансными свойствами не обладают. Поэтому волноводная AP, выполненная в соответствии с первым дополнительным вариантом, имеет ограниченные возможности. Дипольный момент металлического кольца может иметь достаточную для эффективного согласования решетки излучателей (1) величину, когда его диаметр сравним с длиной волны в свободном пространстве. Выполнение таких колец может вступить в противоречие с ограничениями на периоды дополнительной решетки (2), которые были сформулированы выше.The dipole moments p e, m depend on the design of the dipole and on the frequency. Note that many dipole designs exhibit resonant properties. In the vicinity of the resonance frequency, the dipole moment increases sharply. This phenomenon can be effectively used to increase the intensity of field interaction with an additional lattice (2). According to the first additional embodiment, electric dipoles in the waveguide grating have resonant properties (5). Resonance in them occurs when the length of the electric dipole l e approaches half the wavelength in free space. Magnetic dipoles (6) do not have resonance properties. Therefore, the waveguide AP, made in accordance with the first additional option, has limited capabilities. The dipole moment of a metal ring may be sufficient for effective matching of the emitter lattice (1) when its diameter is comparable to the wavelength in free space. The implementation of such rings may conflict with the restrictions on the periods of the additional lattice (2), which were formulated above.
Указанные ограничения на возможности волноводной AP преодолеваются во втором дополнительном варианте ее исполнения, в котором электрические диполи выполнены в виде металлических проводников, оси которых перпендикулярны плоскости решетки, а магнитные диполи выполнены в виде резонаторов с расщепленными кольцами, плоскость которых параллельна плоскости решетки. Фрагмент волноводной AP, выполненной по второму дополнительному варианту, показан на фиг.8.The indicated limitations on the capabilities of the waveguide AP are overcome in the second additional embodiment, in which the electric dipoles are made in the form of metal conductors, the axes of which are perpendicular to the plane of the grating, and the magnetic dipoles are made in the form of resonators with split rings, the plane of which is parallel to the plane of the grating. A fragment of a waveguide AP made in a second further embodiment is shown in FIG.
В этом дополнительном варианте магнитные диполи (6) выполнены в виде резонаторов (15) с расщепленными кольцами (см. Gay-Balmaz P., Martin О. "Electromagnetic resonances in individual and coupled split-ring resonators", Journal of Applied Physics. 2002. 92 (5): 2929). Использование двух близко расположенных незамкнутых металлических колец позволяет создать структуру, аналогичную параллельному резонансному контуру. Его индуктивность определяется длиной колец, а емкость расстоянием между ними. Меняя эти параметры, можно настраивать резонатор (15) на рабочую частоту волноводной AP. Важно при этом, что диаметр резонатора (15) с расщепленными кольцами на частоте резонанса значительно меньше диаметра металлического кольца с тем же дипольным моментом. Благодаря этому выполнение магнитного диполя (6) с размерами, меньшими периода дополнительной плоской сетки (10), не вызывает трудностей.In this additional embodiment, the magnetic dipoles (6) are in the form of split ring resonators (15) (see Gay-Balmaz P., Martin O. "Electromagnetic resonances in individual and coupled split-ring resonators", Journal of Applied Physics. 2002 92 (5): 2929). The use of two closely spaced open metal rings allows you to create a structure similar to a parallel resonant circuit. Its inductance is determined by the length of the rings, and the capacitance by the distance between them. By changing these parameters, it is possible to tune the resonator (15) to the operating frequency of the waveguide AP. It is important in this case that the diameter of the resonator (15) with split rings at the resonance frequency is much smaller than the diameter of the metal ring with the same dipole moment. Due to this, the implementation of the magnetic dipole (6) with dimensions smaller than the period of the additional flat grid (10) does not cause difficulties.
Фрагмент волноводной AP (дополнительная решетка (2)), выполненный в соответствии с четвертым дополнительным вариантом, показан на фиг.9. В нем электрические и магнитные диполи выполнены в виде металлических спиралей (16), оси которых перпендикулярны плоскости решетки. Данный вариант выполнения волноводной AP имеет более простую конструкцию, так как в нем функцию электрического диполя (5) и магнитного диполя (6) выполняет один элемент - металлическая спираль (16).A fragment of the waveguide AP (additional grating (2)), made in accordance with the fourth additional option, shown in Fig.9. In it, electric and magnetic dipoles are made in the form of metal spirals (16), the axes of which are perpendicular to the plane of the lattice. This embodiment of the waveguide AP has a simpler design, since in it the function of the electric dipole (5) and magnetic dipole (6) is performed by one element - a metal spiral (16).
Такое совмещение функций возможно благодаря тому, что в спирали одновременно текут и кольцевые, и продольные (направленные вдоль ее оси) электрические токи. Появление продольных токов эквивалентно появлению у металлической спирали (16) электрического дипольного момента, появление кольцевых токов - появлению магнитного дипольного момента. К достоинствам данного варианта выполнения волноводной AP можно также отнести то, что спираль является весьма компактным рассеивателем, который демонстрирует резонансные свойства, когда его габаритные размеры существенно меньше длины волны в свободном пространстве. Это связано с тем, что несмотря на относительно малую длину спирали (16) h длина проводника l, который ее образует, оказывается существенно большей:This combination of functions is possible due to the fact that both circular and longitudinal (directed along its axis) electric currents flow in the spiral. The appearance of longitudinal currents is equivalent to the appearance of an electric dipole moment in a metal spiral (16), the appearance of ring currents to the appearance of a magnetic dipole moment. The advantages of this embodiment of a waveguide AP can also be attributed to the fact that the spiral is a very compact scatterer that exhibits resonant properties when its overall dimensions are significantly less than the wavelength in free space. This is due to the fact that despite the relatively short spiral length (16) h, the length of the conductor l that forms it turns out to be significantly larger:
где p - шаг спирали (16), а d - ее диаметр. Поскольку параметр πd/p можно сделать весьма большим, то из соотношения (10) видно, что длина проводника l много больше габаритного размера h спирали (16).where p is the spiral pitch (16), and d is its diameter. Since the parameter πd / p can be made very large, it follows from relation (10) that the length of the conductor l is much larger than the overall size h of the spiral (16).
Дипольные моменты спирали (16) пропорциональны длине проводника l. Также важно отметить, что спираль (16) является резонансным элементом. Резонанс наблюдается, когда длина проводника l близка к половине длине волны в свободном пространстве. Таким образом, видно, что в силу отмеченных выше свойств спирали (16), на частоте резонанса ее размеры будут много меньшими длины волны. Поэтому спирали (16) легко размещаются в узлах дополнительной плоской сетки (10) и имеют при этом дипольные моменты достаточной величины.The dipole moments of the spiral (16) are proportional to the length of the conductor l. It is also important to note that the spiral (16) is a resonant element. Resonance is observed when the conductor length l is close to half the wavelength in free space. Thus, it is seen that, due to the properties of the spiral (16) noted above, at the resonance frequency, its dimensions will be much smaller than the wavelength. Therefore, the spirals (16) are easily placed at the nodes of the additional flat grid (10) and at the same time have dipole moments of sufficient magnitude.
Четвертый дополнительный вариант выполнения волноводной AP обеспечивает также простоту настройки устройства. Спираль (16) автоматически обеспечивает равенство резонансных частот электрического и магнитного дипольных моментов, поскольку в ней одновременно наступает резонанс кольцевых и продольных токов. Таким образом, раздельная настройка электрических диполей (5) и магнитных диполей (6) в данном варианте исключается и заменяется настройкой одного элемента - спирали (16).A fourth additional embodiment of the waveguide AP also provides ease of setup. The spiral (16) automatically ensures the equality of the resonance frequencies of the electric and magnetic dipole moments, since it simultaneously resonates the ring and longitudinal currents. Thus, the separate setting of electric dipoles (5) and magnetic dipoles (6) in this embodiment is excluded and replaced by the setting of one element - a spiral (16).
Волноводная АР, выполненная в соответствии с пятым дополнительным вариантом, показана на фиг.10. В ней основная плоская двумерная сетка выполнена квадратной с периодом P, а многосекционное сочленение отрезков волноводов выполнено двухсекционным с излучающим отрезком волновода и с входным отрезком волновода, излучающий отрезок волновода выполнен с квадратным поперечным сечением, а входной отрезок волновода выполнен с прямоугольным сечением, излучающий и входной отрезки волноводов заполнены диэлектриками с одинаковой относительной диэлектрической проницаемостью ε, причем излучающий отрезок волновода длиной L и шириной a 1 выполнен в соответствии с условиями:A waveguide AR made in accordance with a fifth additional embodiment is shown in FIG. 10. In it, the main planar two-dimensional grid is made square with a period P, and the multi-section joint of the waveguide segments is made two-section with the radiating waveguide segment and the input waveguide segment, the radiating waveguide segment is made with a square cross section, and the input waveguide segment is made with a rectangular section, radiating and input dielectric filled waveguide segments with the same relative permittivity ε, wherein the radiating waveguide segment length L and a width 1 performs n in accordance with the conditions:
где λ0 - длина волны в свободном пространстве на центральной частоте рабочего диапазона волноводной AP, внутренние размеры поперечного сечения входного отрезка волновода a2 и b2 выбраны в соответствии с условиями:where λ 0 is the wavelength in free space at the central frequency of the working range of the waveguide AP, the internal dimensions of the cross section of the input section of the waveguide a 2 and b2 are selected in accordance with the conditions:
Данный вариант выполнения волноводной AP обеспечивает улучшенное согласование решетки при относительно малых углах отклонения ГЛ ДН. Улучшение согласования достигается за счет выбора параметров излучателя (1). При малых углах отклонения ГЛ ДН влияние дополнительной решетки (2) на функционирование волноводной AP незначительно и поэтому эквивалентная схема на фиг.5 преобразуется к более простому виду с учетом наличия в излучателе (1) двух отрезков волноводов. Упрощенная эквивалентная схема показана на фиг.11.This embodiment of the waveguide AP provides improved lattice matching at relatively small GL deviation angles. Improving matching is achieved by choosing the parameters of the emitter (1). At small angles of deviation of the main beam, the influence of the additional grating (2) on the functioning of the waveguide AP is insignificant, and therefore the equivalent circuit in Fig. 5 is converted to a simpler form, taking into account the presence of two segments of waveguides in the emitter (1). A simplified equivalent circuit is shown in FIG. 11.
Отрезок линии передачи длиной L соответствует излучающему отрезку волновода (3), который характеризуется сопротивлением Zw2 и постоянной распространения γw2. Входной отрезок волновода (4) имеет сопротивление Zw1 и постоянную распространения γw1.A segment of the transmission line of length L corresponds to the radiating segment of the waveguide (3), which is characterized by the resistance Z w2 and the propagation constant γ w2 . The input segment of the waveguide (4) has a resistance Z w1 and a propagation constant γ w1 .
Из фиг.11 видно, что эквивалентная схема описывает линию передачи с характеристическим сопротивлением Zw1, в которую включены две неоднородности. Одна из них соответствует сочленению входного отрезка волновода (4) и излучающего отрезка волновода (3). Она описывается четырехполюсником с матрицей рассеяния Sw1. Другая неоднородность - это оконечная нагрузка в виде сочленения излучающего отрезка волновода (3) со свободным пространством. Она представляется четырехполюсником с матрицей рассеяния Sw2, у которого один вход нагружен на сопротивление ZS, зависящее от угла θ. Нас интересует область малых углов, в которой можно положить θ=0.11 shows that the equivalent circuit describes a transmission line with a characteristic resistance Z w1 , which includes two heterogeneities. One of them corresponds to the joint of the input segment of the waveguide (4) and the radiating segment of the waveguide (3). It is described by a four-terminal network with a scattering matrix S w1 . Another heterogeneity is the final load in the form of a joint of the radiating segment of the waveguide (3) with free space. It is represented by a four-terminal network with a scattering matrix S w2 , in which one input is loaded with a resistance Z S , depending on the angle θ. We are interested in the region of small angles in which we can set θ = 0.
Представленная на фиг.11 схема будет согласована со стороны генератора Eg, если коэффициенты отражения от неоднородностей близки по модулю, а их фазы в точке подключения генератора сдвинуты на π. Указанные коэффициенты отражения достоверно могут быть рассчитаны с помощью современных программ электродинамического моделирования АР. Соотношения (11)-(13), обеспечивающие выполнение приведенных выше условий согласования волноводной AP, найдены в результате ее оптимизации. Неравенство (11) обеспечивает выполнение фазовых соотношений, необходимых для согласования, а соотношения (12) и (13) обеспечивают близость модулей коэффициентов отражения двух неоднородностей. Неравенство (12) определяет оптимальное соотношение параметров сочленения излучающего отрезка волновода (3) со свободным пространством, а соотношения (13) задают диапазон оптимальных значений сочленения входного отрезка волновода (4) с излучающим отрезком волновода (3).The scheme shown in Fig. 11 will be agreed on the generator side E g if the reflection coefficients from the inhomogeneities are close in modulus and their phases at the generator connection point are shifted by π. The indicated reflection coefficients can be reliably calculated using modern AR electrodynamic modeling programs. Relations (11) - (13) ensuring the fulfillment of the above matching conditions for the waveguide AP are found as a result of its optimization. Inequality (11) ensures that the phase relations necessary for matching are satisfied, and relations (12) and (13) ensure the proximity of the moduli of reflection coefficients of two inhomogeneities. Inequality (12) determines the optimal ratio of the parameters of the joint of the radiating segment of the waveguide (3) with free space, and relations (13) specify the range of optimal values of the joint of the input segment of the waveguide (4) with the radiating segment of the waveguide (3).
Выполнение основной плоской двумерной сетки (9) квадратной необходимо для достижения максимального сектора сканирования во всем полупространстве при z>0 (см. фиг.4) без уменьшения размеров излучателя (1) в плоскости XOY. Из неравенства (8) следует, что сектор сканирования может быть увеличен за счет уменьшения периода AP. Однако уменьшение периода крайне нежелательно из конструктивных соображений, так как оно затрудняет размещение других элементов ФАР в пределах ее периода: фазовращателей, усилителей и т.д. Поэтому увеличивать период в одной плоскости по сравнению с периодом в другой плоскости нежелательно, так как это приведет к уменьшению результирующего сектора сканирования, а уменьшать его также не имеет смысла, поскольку результирующий сектор сканирования не увеличится, так как он определяется наименьшим из секторов сканирования в плоскостях XOZ и YOZ.The implementation of the main flat two-dimensional grid (9) square is necessary to achieve the maximum scanning sector in the entire half-space for z> 0 (see Fig. 4) without reducing the size of the emitter (1) in the XOY plane. It follows from inequality (8) that the scanning sector can be increased by reducing the AP period. However, reducing the period is extremely undesirable for design reasons, since it complicates the placement of other PAR elements within its period: phase shifters, amplifiers, etc. Therefore, it is undesirable to increase the period in one plane compared to the period in another plane, since this will lead to a decrease in the resulting scanning sector, and it also makes no sense to reduce it, since the resulting scanning sector will not increase, since it is determined by the smallest of the scanning sectors in the planes XOZ and YOZ.
На фиг.12 представлена зависимость модуля коэффициента отражения R(θ) волноводной АР, выполненной в соответствии с пятым дополнительным вариантом, при сканировании в плоскости вектора электрического поля, а на фиг.13 - зависимость модуля коэффициента отражения при сканировании в плоскости вектора магнитного поля. Кривые получены для следующих параметров AP:On Fig presents the dependence of the modulus of the reflection coefficient R (θ) of the waveguide AR, made in accordance with the fifth additional option, when scanning in the plane of the vector of the electric field, and Fig.13 is the dependence of the module of the reflection coefficient when scanning in the plane of the vector of the magnetic field. Curves are obtained for the following AP parameters:
- период основной плоской сетки (9) P=15.5;- period of the main planar grid (9) P = 15.5;
- ширина излучающего отрезка волновода (3) a 1=13.5;- the width of the radiating segment of the waveguide (3) a 1 = 13.5;
- длина излучающего отрезка волновода (3) L=9.8;- the length of the radiating segment of the waveguide (3) L = 9.8;
- ширина входного отрезка волновода (4) a 2=a1;- the width of the input segment of the waveguide (4) a 2 = a 1;
- высота входного отрезка волновода (4) b2=7.2;- the height of the input segment of the waveguide (4) b 2 = 7.2;
- диэлектрическая проницаемость заполнения излучателя (1) ε=2.08 (фторопласт);- dielectric constant of the emitter filling (1) ε = 2.08 (fluoroplastic);
- расстояние от плоскости (8) излучения до электрических диполей (5) he=12;- the distance from the plane (8) of the radiation to the electric dipoles (5) h e = 12;
- расстояние от плоскости (8) излучения до магнитных диполей (6) hm=10.1;- the distance from the radiation plane (8) to the magnetic dipoles (6) h m = 10.1;
- период дополнительной плоской сетки (10), выполненной квадратной Pd=12;- the period of the additional flat grid (10) made square P d = 12;
- магнитные диполи (6) выполнены в виде металлических колец с внешним диаметром D=10.- magnetic dipoles (6) are made in the form of metal rings with an outer diameter of D = 10.
Все размеры приведены в миллиметрах.All dimensions are in millimeters.
Из графиков, представленных на фиг.12 и фиг.13, видно, что волноводная AP хорошо согласована вплоть до углов отклонения ГЛ ДН в диапазоне 50°-60°.From the graphs presented in FIG. 12 and FIG. 13, it can be seen that the waveguide AP is well matched up to the deviation angles of the main beam in the
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed invention:
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, предназначено для использовании в промышленности, а именно в технике антенн, например, в качестве элемента приемной или передающей ФАР радиолокатора;- an antenna device embodying the claimed invention is intended for use in industry, namely in the technique of antennas, for example, as an element of a receiving or transmitting HEADLIGHT radar;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;- for the claimed device in the form described in the independent clause of the claims, the possibility of its implementation using the means described in the application is confirmed;
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, позволяет реализовать следующий технический результат: расширить сектор сканирования ФАР с электронным управлением.- an antenna device embodying the claimed invention allows to realize the following technical result: to expand the scanning sector of electronically controlled headlamps.
Claims (5)
,
,
где λ0 - длина волны в свободном пространстве на центральной частоте рабочего диапазона волноводной AP, внутренние размеры поперечного сечения входного отрезка волновода a 2 и b2 выбраны в соответствии с условиями:
a 2=a 1, . 5. The waveguide antenna array according to claim 1, characterized in that the main planar two-dimensional grid is square with a period P, and the multi-sectional articulation of the waveguide segments is made two-sectional with the radiating segment of the waveguide and with the input segment of the waveguide, the radiating segment of the waveguide is made with a square cross section, and the input segment of the waveguide is made with a rectangular cross section, the radiating and input segments of the waveguides are filled with dielectrics with the same relative permittivity ε, and the learning segment of the waveguide of length L and width a 1 is made in accordance with the condition:
,
,
where λ 0 is the wavelength in free space at the central frequency of the working range of the waveguide AP, the internal dimensions of the cross section of the input section of the waveguide a 2 and b 2 are selected in accordance with the conditions:
a 2 = a 1 , .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012148337/08A RU2522909C2 (en) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | Wave antenna array |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012148337/08A RU2522909C2 (en) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | Wave antenna array |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012148337A RU2012148337A (en) | 2014-05-20 |
RU2522909C2 true RU2522909C2 (en) | 2014-07-20 |
Family
ID=50695559
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012148337/08A RU2522909C2 (en) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | Wave antenna array |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2522909C2 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2206157C2 (en) * | 2001-07-02 | 2003-06-10 | НИИ Приборостроения им. В.В.Тихомирова | Waveguide-slot antenna array |
RU2234174C1 (en) * | 2003-02-03 | 2004-08-10 | ОАО "НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова" | Waveguide radiator |
SU1840020A1 (en) * | 1983-07-18 | 2006-07-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Нижегородский Научно-Исследовательский Институт Радиотехники" | Mobile waveguide antenna array |
US7564421B1 (en) * | 2008-03-10 | 2009-07-21 | Richard Gerald Edwards | Compact waveguide antenna array and feed |
-
2012
- 2012-11-14 RU RU2012148337/08A patent/RU2522909C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1840020A1 (en) * | 1983-07-18 | 2006-07-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Нижегородский Научно-Исследовательский Институт Радиотехники" | Mobile waveguide antenna array |
RU2206157C2 (en) * | 2001-07-02 | 2003-06-10 | НИИ Приборостроения им. В.В.Тихомирова | Waveguide-slot antenna array |
RU2234174C1 (en) * | 2003-02-03 | 2004-08-10 | ОАО "НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова" | Waveguide radiator |
US7564421B1 (en) * | 2008-03-10 | 2009-07-21 | Richard Gerald Edwards | Compact waveguide antenna array and feed |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Gay-Balmaz et al "Electromagnetic resonances in individual and coupled split-ring resonators", опубл. 01.09.2002 на 8 страницах, найдено [06.02.2014], найдено в Интернет по адресу: * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012148337A (en) | 2014-05-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7167139B2 (en) | Hexagonal array structure of dielectric rod to shape flat-topped element pattern | |
Podilchak et al. | Analysis and design of annular microstrip-based planar periodic leaky-wave antennas | |
Eshrah et al. | Theory and implementation of dielectric resonator antenna excited by a waveguide slot | |
US11545757B2 (en) | Dual end-fed broadside leaky-wave antenna | |
Zheng et al. | Leaky-wave structures and techniques for integrated front-end antenna systems | |
JP2000505991A (en) | Antenna feeding architecture for use with a continuous transverse stub antenna array | |
Saffold et al. | Dielectric rod antenna array with planar folded slot antenna excitation | |
Dawar et al. | Near-zero-refractive-index metasurface antenna with bandwidth, directivity and front-to-back radiation ratio enhancement | |
Zheng et al. | Multifunctional leaky-wave antenna with tailored radiation and filtering characteristics based on flexible mode-control principle | |
Li et al. | Focused array antenna based on subarrays | |
Liao et al. | Synthesis, simulation and experiment of unequally spaced resonant slotted-waveguide antenna arrays based on the infinite wavelength propagation property of composite right/left-handed waveguide | |
Bird | Mutual coupling in arrays of coaxial waveguides and horns | |
RU2522909C2 (en) | Wave antenna array | |
EP1782501B1 (en) | Double structure broadband leaky wave antenna | |
US7453410B2 (en) | Waveguide antenna using a continuous loop waveguide feed and method of propagating electromagnetic waves | |
RU150246U1 (en) | ANTENNA GRILLE | |
Vovchuk et al. | Properties of antennas modified by wire media | |
Sadeghzadeh et al. | Low Sidelobe Level Pattern Synthesis of 2‐D Slot Array Antenna Based on Ridged Waveguide | |
Nesterenko et al. | Combined Vibrator-Slot Radiators in Antenna Arrays | |
RU2694124C1 (en) | Printed antenna of millimeter waves | |
RU2824917C1 (en) | Log-periodic dipole antenna | |
Hosseini et al. | Application of Composite Right/Left-Handed Metamaterials in Leaky-Wave Antennas | |
Malherbe | An array of coupled nonradiative dielectric waveguide radiators | |
RU2694156C1 (en) | Millimeter wave antenna | |
RU2236728C1 (en) | Single-pulse feed |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151115 |