PL94574B1 - Uklad antenowy promieniujacy wiele plaskich wiazek - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest uklad antenowy promieniujacy wiele plaskich wiazek, zwlaszcza radar kie¬ runkowy.Radary kierunkowe zwykle mierza skladowe katowe, wektora kierunku do celu, we wspólrzednych pla¬ skich lub stozkowych. Przykladowo, azymut celu podaje sie zwykle we wspólrzednych plaskich, a elewacje podaje sie we wspólrzednych stozkowych. Jezeli pozadane jest stosowanie wspólrzednych plaskich lub stoz¬ kowych w radarze kierunkowym pracujacym z antenami kierunkowymi, to trzeba, by ksztalt wiazki antenowej odpowiadal zadanemu ukladowi wspólrzednych. Zapobiega to koniecznosci dokonywania przeksztalcania wspólrzednych. Nowoczesne radary kierunkowe wymagaja anten, które maja bardzo szybki ruch wiazki lub mo¬ ga pracowac równoczesnie z wieloma wiazkami, co umozliwia szybki ruch wiazki pomiedzy obiektami, albo utrzymywanie równoczesnych wiazek anteny na wiecej niz jednym obiekcie.Znanym ukladem antenowym do lokalizowania obiektów w ukladzie wspólrzednych plaskich jest me¬ chanicznie obracana antena z wiazka pletwowa, stosowana zwykle do radarów przeszukujacych, lub majacych inne zastosowanie. Taki rodzaj anteny przybiera ksztalt specjalnie uksztaltowanego reflektora, oswietlajacego elementy promieniujace lub liniowe pole elementów antenowych, przy czym do kazdego elementu doprowadzone sa sygnaly falowe o takiej samej fazie. Kazda z tych anten wypromieniowuje pojedyncza, plaska wiazke pletwo¬ wa, która jest przemieszczana w przestrzeni przez mechaniczne obracanie anteny.Znane uklady antenowe z wieloma wiazkami pletwowymi zawieraja liniowe pola elementów promieniuja¬ cych, które wytwarzaja te wiazki przez zmiane fazy doprowadzonej do kazdego z tych elementów energii. Innym ukladem antenowym z wieloma wiazkami pletwowymi jest reflektor paraboliczny o duzym wspólczynniku wydluzenia i z wieloma^doprowadzeniami. Oba te uklady daja^wjazMjtoikowe^--2 94 574 Kolowy uklad elementów promieniujacych zdolny jest do wytwarzania wielu plaskich wiazek pletwo- wych. Taki uklad antenowy wymaga jednakze duzej liczby elementów promieniujacych i wielu skomplikowa¬ nych obwodów dla zapewnienia dokladnego poszukiwania kierunku. Inna jego wada jest to, ze uklad kolowy musi zwykle miec srednice wieksza niz aperturauzyteczna. ^ R. N. Assaly iL.J. Ricardi w artykule zatytulowanym „A theoretical Study of a Multi-Element Scanning Feed System for a Parabolic Cylinder", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-14, nr 5, • wrzesien 1966, rozwazaja zastosowanie cylindrycznie uksztaltowanego reflektora z wieloma doprowadzeniami do wypromieniowywania wiazek wielokrotnych. Jednakze w artykule tym zakladaja oni doprowadzenie i reflektor o wymiarze nieskonczonym w kierunku osi ogniskowania i przeprowadzaja analize w dwóch wymiarach, bez rozrózniania pomiedzy wiazkami plaskimi i wiazkami stozkowymi oraz bez podawania ksztaltu wiazek otrzy¬ mywanych z praktycznej anteny pracujacej w przestrzeni trójwymiarowej.W opisie patentowym USA nr 3.710.388 przedstawiono konstrukcje soczewki z planarnego ukladu elemen¬ tów odbiorczych, które sa odpowiednio dolaczone do elementów ukladu planarnego elementów transmitujacych przez przesuwniki fazowe, ale to rozwiazanie odnosi sie do ogniskowania wiazki szpilkowej ido zmieniania elementu soczewkowego przez programowanie urzadzenia tak, aby spowodowac obrót srodka fazy wokól linii celowej wiazki szpilkowej tak, ze powracajace echa wskazuja odchylenie katowe obiektów od linii celowej wiazki.Celem wynalazku jest opracowanie ukladu antenowego dla równoczesnego wypromieniowywania wielu wiazek plaskich w okreslony obszar przestrzeni. Uklad taki powinien wypromieniowywac skupiona energie falowa pod zadanym katem promieniowania dla kazdej plaskiej wiazki. Taki uklad antenowy powinien chara¬ kteryzowac sie prosta konstrukcja i niskim kosztem.Uklad antenowy zawierajacy cylindryczny reflektor, posiadajacy os ogniskowa oraz wiele zródel rzeczy¬ wiscie sferycznych fal, z których kazde skierowane jest tak, aby skutecznie oswietlac reflektor energia fal, wedlug wynalazku charakteryzuje sie tym, ze zródlo fal sferycznych stanowi pewna ilosc elementów promieniu¬ jacych, równa ilosci wiazek planarnych, które sa tak rozmieszczone, ze ich poszczególne promieniowania w kie¬ runkach równoleglych do osi ogniskowej reflektora nie interferuja i nie redukuja szerokosci wynikowego promie¬ niowania odbitego przez reflektor. Elementy te sa umieszczone tak, zeby posiadac, w plaszczyznie, która jest prostopadla do osi ogniskowej reflektora, skladowa katowego przesuniecia, dla kazdego z nich, patrzac ze srodka linii przeciecia tej plaszczyzny z powierzchnia reflektora, asa zgrupowane w poblizu plaszczyzny z osia ogni¬ skowa.Uklad antenowy ponadto charakteryzuje sie tym, ze reflektor posiada dlugosc osiowa, która odpowiada katowi, patrzac z punktu przeciecia plaszczyzny zgrupowania elementów promieniujacych z osia ogniskowa reflektora, który to kat jest rzeczywiscie równy zadanej szerokosci katowej kazdej wiazki. Profil reflektora lezy w takiej plaszczyznie aby umozliwic reflektorowi przeksztalcanie sferycznej fali z kazdego elementu promieniu¬ jacego w rzeczywiscie planarna wiazke, prostopadla do plaszczyzny profilowej i przecinajaca ja w linii okreslaja¬ cej charakterystyczny kierunek dla poszczególnych elementów promieniujacych. W korzystnym rozwiazaniu ukladu antenowego, cylindryczny reflektor posiada profil paraboliczny.Korzystnie plaszczyzna profilowa, która przecina os ogniskowa w bezposrednim sasiedztwie elementów promieniujacych, jest usytuowana centralnie wzgledem wymiaru osiowego reflektora. Jest równiez korzystne, ze przeciecie srodkowej plaszczyzny profilowej z osia ogniskowa znajduje sie w obszarze zajmowanym przez grupe elementów promieniujacych, a ponadto w srodkowej plaszczyznie profilowej promieniujace elementy, które sa korzystnie falowodowymi tubami promieniujacymi, posiadaja rzeczywiscie równe skladowe przesuniecia kato¬ wego wzgledem siebie, patrzac ze srodka Hnii przeciecia plaszczyzny profilowej i powierzchni reflektora.Przeclmiot wynalazku jest objasniony w przykladach wykonania na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia uklad antenowy, fig. 2 - plaskie wiazki wypromieniowywane z anteny z fig. 1, fig. 3 - odmienny przyklad wykonania ukladu wedlug wynalazku, a fig. 4 przedstawia jeszcze inny przyklad wykonania ukladu antenowego.Uklad antenowy z fig. 1 zawiera elementy do cylindrycznego skupiania padajacej energii falowej, stanowia¬ ce paraboliczny reflektor cylindryczny 10, oraz elementy promieniujace energie falowa, które sa trzema tubami doprowadzajacymi 11 a, 11b, 11c. Reflektor 10 ma os ogniskowa 12 oraz tak dobrana dlugosc osiowa 13, ze stanowi ona podstawe kata 14, którego wierzcholek lezy w punkcie 16 na osi ogniskowej 12.Tuby doprowadzajace 11 w przykladzie przedstawionym na fig. 1 sa usytuowane w poblizu punktu 15 na osi ogniskowej 12 i sa wzgledem siebie przesuniete katowo o kat 16 w plaszczyznie 17, która jest prostopadla do osi ogniskowej 12,gdy patrzy sie ze srodka 18 reflektora 10.Wysokosc 19 reflektora 10 i odleglosc od osi ogniskowej 12 sa wybrane zgodnie z normalnymi znanymi w dziedzinie anten zasadami oraz na podstawie zadanej szerokosci wiazki w plaszczyznie 17, prostopadlej do osi ogniskowej 12 i charakterystycznych rozkladów tub doprowadzajacych 11. Szerokosc 13 reflektora 10 jest94 574 3 wybrana tak, ze kat 14 jest zasadniczo równy zadanemu katowi promieniowania wypromieniowywanych plas¬ kich wiazek, mierzonemu w plaszczyznie kazdej wiazki.Liczba tub doprowadzajacych uzytych w ukladzie antenowym takim jak pokazany na fig. 1 jest wybrana jako równa liczbie zadanych plaskich wiazek. Tuby doprowadzajace 11 sa tubami dowolnego typu, umozliwia¬ jacego wypromieniowywanie rozkladu energii falowej skutecznie oswietlajacego reflektor 10. Mozna równiez zastosowac elementy doprowadzajace inne niz tuby 11, na przyklad dipole i spirale.Jest oczywiste, ze rozklady energii falowej z kazdej z tub maja srodek fazowy promieniowania w róznym punkcie przestrzeni. Srodek fazowy promieniowania jest to punkt w przestrzeni, w którym powstaja rozchodzace sie kuliscie fale. Mozliwe sa inne srodki do oswietlania reflektora 10 niezbedna liczba rozkladów energii falowej.Jednym z nich jest urzadzenie, stanowiace pole elementów zdolnych do promieniowania energii falowej ze srodków fazowych odleglych od siebie w przestrzeni.W przykladzie z fig. 1 tuby 11 sa usytuowane zasadniczo w plaszczyznie 17, która przechodzi przez srodek reflektora 10 i jest prostopadla do osi ogniskowej 12 alternatywnie, miejsca, usytuowania tub 11 moga byc przesuniete na jedna strone od srodka. Jest to mozliwe w ukladzie, w którym pozadane jest pokrycie asymetry¬ czne. Mozliwe jest równiez, by elementy doprowadzajace byly usytuowane nie w plaszczyznie 17, jednak pod warunkiem, ze maja one skladowa zadanego przemieszczenia katowego 16 ulozona w plaszczyznie 17.Dzialanie anteny z fig. 1 przedstawione jest na fig. 2. Gdy reflektor 10 jest oswietlony rozkladem energii falowej z kazdej z tub 11, odpowiednia plaska wiazka 20 zostaje wypromieniowana w plaszczyznie 17 prosto¬ padlej do osi ogniskowej 12, w kierunku, który jest charakterystyczny dla tej tuby.Kazda z tak wypromieniowywanych plaskich wiazek 20a, 20b, 20c ma kat promieniowania 21 lezacy w plaszczyznie tej wiazki, odpowiadajacy katowi 14, wyznaczonemu przez dlugosc osiowa 13 reflektora 10 jak pokazano na fig. 1. Takie plaskie wiazki 20, wypromieniowywane przez uklad antenowy przedstawiony na fig. 1 nadaja sie do stosowania w systemie okreslania kierunku, w którym stosowane sa wspólrzedne plaskie.W innych przykladach wykonania ukladu antenowego wedlug wynalazku, reflektor 10 z fig. 1 jest zasta¬ piony jednym z wielu urzadzen, które sa zdolne do cylindrycznego ogniskowania padajacej energii falowej, wliczajac w to przepuszczalne soczewki i pola. Takie elementy ogniskujace cylindrycznie dzialaja ogniskujaco na padajaca energie falowa w jednej plaszczyznie, która wyznacza kierunek propagacji, a nie dzialaja ogniskujaco w plaszczyznie prostopadlej, w której równiez lezy inny kieruneK propagacji. Plaszczyzna, w której wystepuje ogniskowanie, jest prostopadla do osi ogniskowej urzadzenia ogniskujacego. Rochodzace sie kuliscie fale, pocho¬ dzace ze zródla punktowego znajdujacego sie w osi ogniskowej, zostaja przez cylindryczne urzadzenie ogniskuj¬ ace przetworzone w fale rozchodzace sie cylindrycznie, tak jak gdyby wychodzily z liniowego zródla promienio¬ wania.Reflektor paraboliczny 10 z przykladu wykonania przedstawionego na fig. 1 ma tylko jedna os ogniskowa 12. Przepuszczalne elementy ogniskujace cylindrycznie, takie jak soczewki dielektryczne, maja dwie osie ognisko¬ wania, po jednej z kazdej strony soczewki. Elementy ogniskujace cylindrycznie o symetrii kolowej, takie jak kolowy reflektor cylindryczny, lub cylindryczna soczewka Luneberga, maja nieskonczona liczbe osi ognisko¬ wania ze wzgledu na swa symetrie kolowa.W przypadku, gdy element ogniskujacy cylindrycznie ma wiecej niz jedna os ogniskowania, niezbedne elementy promieniujace mozna umieszczac na dowolnej osi ogniskowania. Dlugosc osiowa takiego elementu ogniskujacego cylindrycznie na powierzchni, z której bedzie promieniowana energia falowa, poczynajac od wybranej osi ogniskowania, musi odpowiadac zadanemu katowi promieniowania, w odniesieniu do punktu na wybranej osi ogniskowania.Fig. 3 przedstawia przyklad wykonania ukladu antenowego, w którym ogniskujacy cylindrycznie element jest przepuszczalny i stanowi cylindryczna soczewke Luneberga 22. Soczewka Luneberga jest konstrukcja sfe¬ ryczna z materialu, którego predkosc propagacji jest funkcja promienia tak, ze padajaca energia fali plaskiej jest ogniskowana na powierzchni kuli .w punkcie polozonym naprzeciwko na srednicy, w stosunku do punktu od¬ powiadajacego kierunkowi padania. Cylindryczna soczewka Luneberga 22 ogniskuje padajaca energie fali plaskiej na linii osiowej na powierzchni usytuowanej przeciwlegle, na srednicy w stosunku do linii osiowej odpowiadajacej kierunkowi padania. Cylindryczna soczewka Luneberga 22 dzieki swej symetrii kolowej nadaje sie zatem cylindrycznego ogniskowania energii falowej padania z nieskonczonej liczby kierunków ogniskowania.W przykladzie wykonania z fig. 3 tuby doprowadzajace 11 a, 11b, 11c sa usytuowane na powierzchni soczewki 22 w poblizu osi ogniskowania 12'. Tuby 11 sa przesuniete katowo wzgledem siebie o kat 16' w plasz¬ czyznie 17, która jest prostopadla do osi ogniskowania 12' patrzac ze srodka 18 soczewki 22. Soczewka 22 ma dlugosc osiowa 13', która na powierzchni przeciwleglej w stosunku do osi ogniskowej 12' w punktach na srednicy wyznacza kat zasadniczo równy zadanemu katowi promieniowania, którego wierzcholek stanowi punkt na osi ogniskowania 12' w poblizu tub doprowadzajacych 11.4 94 574 Fig. 4 przedstawia jeszcze inny przyklad wykonania ukladu antenowego, w którym elementem ognisku¬ jacym cylindrycznie jes przepuszczalna konstrukcja tablicowa 26. Konstrukcja tablicowa 26 zawiera pierwsze pole elementów odbiorczych 23 przeznaczonych do przyjmowania energii falowej z tub 11. Konstrukcja 26 zawiera równiez elementy 24 do przesuwania fazy energii falowej odbieranej przez kazdy z elementów 23 pier¬ wszego pola, oraz drugie pole elementów 25 przeznaczonych do promieniowania energii falowej przesunietej w fazie. Elementy 24, przesuwajace faze, zapewniaja odpowiednie, okreslone przesuniecie fazowe w stosunku do kazdego z elementów 23 tak, ze konstrukcja 26 pelni funkcje cylindrycznego ogniskowania padajacej energii falowej. Elementy przesuwajace faze 24 moga byc dowolnymi normalnie stosowanymi, takimi jak rózne odcinki linii dlugiej lub tez linia dluga z rózna iloscia obciazen dielektrycznych. Elementy pól 23 i 25 moga byc dowol¬ nymi elementami stosowanymi w praktyce, takimi jak dipole, tuby lub spirale.Elementy przesuwajace faze 24, zastosowane W przykladzie z fig. 4 korzystnie sa odbiciowymi przesuwni- kami fazy, które powoduja wypromieniowanie wtórne energii z pierwszego pola elementów 23, przy czym w takim przypadku drugie pola elementów 25 nie jest potrzebne. W wyniku otrzymuje sie element odbiciowy do ogniskowania cylindrycznego, zawierajacy pole elementów odbijajacych.Powyzsze przyklady wykonania wynalazku przedstawiaja anteny nadawcze, ale jest oczywiste, ze istota wynalazku moze byc równiez zastosowana do anten odbiorczych.Antena skonstruowana wedlug wynalazku jest stosowana jako antena dla wiazki przeszukujacej oraz jako antena dla wiazki wielokrotnej. Antene wiazki przeszukujacej otrzymuje sie przez spowodowanie ruchu srodka fazowego elementów oswietlajacych, lub przez kolejne sprzeganie kazdego z wielu doprowadzen z nadajnikiem lub odbiornikiem.Przy konstruowaniu ukladów antenowych wedlug wynalazku zmiany dotyczace wielkosci i ksztaltu, ro¬ dzaju zasilania i usytuowania sa uwarunkowane rozpietoscia katowa obszaru przestrzeni, który ma byc objety promieniowaniem ukladu antenowego, zadana polaryzacja, liczba zadanych wiazek i usytuowaniem anteny wzgledem tych wiazek. PL

Claims (4)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Uklad antenowy promieniujacy wiele plaskich wiazek, o zadanym kacie promieniowania w plaszczyznie kazdej z wiazek, zawierajacy cylindryczny reflektor posiadajacy os ogniskowa oraz wiele zródel rzeczywiscie sferycznych fal, przy czym kazde zródlo skierowane jest do skutecznie oswietlonego energia fal wspomnianego reflektora, znamienny tym, ze zródla fal sferycznych stanowi pewna ilosc elementów promieniujacych (1 la, 11b, lic), równa ilosci planarnych wiazek (20a, 20bf 20c), które sa tak rozmieszczone, ze ich poszczególne promieniowania, w kierunkach równoleglych do osi ogniskowej reflektora (10) nie redukuja szerokosci wyniko¬ wego promieniowania odbitego przez reflektor, przy czym sa one umieszczone tak, ze posiadaja dla kazdego z tych, kierunków w plaszczyznie (17) prostopadlej do wspomnianej osi ogniskowej (12) reflektora (10), skla¬ dowa odchylona o kat przesuniecia (16), patrzac ze srodka (18) linii przeciecia wspomnianej plaszczyzny z po¬ wierzchnia Ireflektora, a ponadto elementy (11a, 11b, 11c) sa zgrupowane w poblizu punktu przeciecia 05) plasz¬ czyzny (17) z osia ogniskowa (12), przy czym reflektor posiada dlugosc osiowa, która odpowiada katowi (14), patrzac z punktu przeciecia (15) plaszczyzny (17) z jego osia ogniskowa (12), który jest równy zadanej katowej szerokosci wiazki, której zarys znajduje sie w plaszczyznie (17) prostopadlej do jego osi ogniskowej (12), co umozliwia reflektorowi (10) przeksztalcaniefali sferycznej kazdego elementu promieniujacego (11a, 11b, 11c) w rzeczywiscie planarna wiazke (20a, 20b, 20c) prostopadla do plaszczyzny (17) i przecinajaca ja wzdluz Unii okreslajacej charakterystyczny kierunek poszczególnych elementów promieniujacych.
2. 2. Uklad antenowy wedlug zastrz. 1,znamienny tym, ze reflektor cylindryczny (10) posiada para- boliczno-cylindiyczna powierzchnie odbijajaca.
3. 3. Uklad antenowy wedlug zastrz. 1, m,amienny tym, ze plaszczyzna (17) prostopadla do osi ogniskowej i stad równiez jej przeciecie z osia ogniskowa, jest centralnie usytuowana, wzgledem wymiaru osio¬ wego reflektora.
4. 4. Uklad antenowy wedlug zastrz. 1, zn a m i e n n y tym, ze elementy promieniujace sa falowodowymi tubami promieniujacymi (11a, 11b, 11c) grupowanymi tak, aby obejmowac punkt przeciecia plaszczyzny (17) i osi ogniskowej (12) reflektora (10), a posiadajace w plaszczyznie (17) rzeczywiscie równe skladowe (16) ka¬ towego przesuniecia wzgledem siebie, patrzac ze srodka (18) linii przeciecia wspomnianej plaszczyzny i powie¬ rzchni cylindrycznego reflektora (10).94 574 FIG. FIG. 2 FIG. 3 FIG. 4 PL