АНТЕННА ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ С ПОПЕРЕЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Российский патент 1994 года по МПК H01Q13/20 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в различных радиосистемах, в частности в системах приема спутникового телевидения.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является микроволновая направленная антенна, содержащая возбудитель поверхностной волны в виде круглого волновода с металлическим конусом и направляющую структуру, поддерживающую низшую поверхностную волну Е-типа [1] . Направляющая структура выполнена в виде слоя диэлектрика на круглой металлической подложке и ряда нерегулярностей в виде кольцевых концентрических металлических полосок на поверхности слоя диэлектрика либо в виде кольцевых концентрических выемок в слое диэлектрика или в круглой металлической подложке, причем ширина полосок и поперечные размеры всех выемок выбраны одинаковыми, а расстояния между нерегулярностями выбраны одинаковыми и равными d = λ_пв, где λ_пв - длина низшей поверхностной волны Е-типа.

Указанная антенна не обеспечивает достижение высокого коэффициента усиления и уровня согласования на входе при заданных габаритных размерах.

Целью изобретения является повышение коэффициента усиления и улучшение согласования.

Цель достигается тем, что в антенне поверхностной волны с поперечным излучением, содержащей возбудитель поверхностной волны, направляющую структуру, поддерживающую низшую поверхностную волну Е-типа, и нерегулярности, расположенные эквидистантно на направляющей структуре вдоль прямых, ортогональных возбудителю поверхностной волны, с интервалом d = λ_пв по обе стороны от возбудителя поверхностной волны, по N нерегулярностей с каждой стороны, электрические размеры нерегулярностей I_i, где i = ±1, . . . , ±N - номер нерегулярности, выбраны монотонно увеличивающимися при удалении от возбудителя поверхностной волны к периферии направляющей структуры в соответствии с монотонной функцией L = L(z) (где z - расстояние вдоль направляющей структуры от возбудителя поверхностной волны), вторая производная которой L''(z) << 1, в интервале от L₁ << λ_o, где λ_o - рабочая длина волны, до L _±N ≈ L_рез, где L_рез - резонансный размер, причем L_i являются выборками функции L(z) в соответствующих точках. Если возбудитель поверхностной волны выполнен с симметричным возбуждением, то расстояния R₁ и R_-1 до нерегулярностей L₁ и L_-1 выбраны отличающимися друг от друга на λ_пв/2. Если возбудитель поверхностной волны выполнен с несимметричным возбуждением, то R₁ = R_-1 и L₁ = L_-1. Кроме того, края направляющей структуры, не примыкающие к нерегулярностям, выполнены металлизированными, а расстояние от них до ближайших нерегулярностей равно λ_пв /2.

На фиг. 1 изображена антенна, общий вид, в разрезе; на фиг. 2 и 3 - то же с направляющей структурой прямоугольной или круглой формы соответственно; на фиг. 4-7 - примеры выполнения направляющей структуры 2 и нерегулярностей 3.

Устройство содержит возбудитель 1 поверхностной волны, направляющую структуру 2 и нерегулярности 3.

Устройство работает следующим образом. Возбудитель 1 поверхностной волны возбуждает в направляющей структуре 2 поверхностную волну низшего электрического типа, которая распространяется вдоль направляющей структуры 2 от возбудителя 1 поверхностной волны к периферии направляющей структуры 2 и дифрагирует на нерегулярностях 3, электрические размеры и расположение которых на направляющей структуре 2 выбраны такими, чтобы обеспечить эффективное возбуждение пространственных волн на всей поверхности направляющей структуры. Вследствие выбора шага расположения нерегулярностей d = λ_пв и расстояния от возбудителя до ближайших нерегулярностей происходит синфазное сложение пространственных волн, обеспечивающее формирование остронаправленной ДН, максимум которой перпендикулярен плоскости расположения направляющей структуры 2. Выбор расстояний от возбудителя поверхностной волны до ближайших нерегулярностей 3 обеспечивает также взаимную компенсацию волн, отраженных от частей направляющей структуры, расположенных по разные стороны от возбудителя поверхностной волны. Металлизация краев направляющей структуры 2, не примыкающих к нерегулярностям 3, и выбор расстояния от краев до ближайших нерегулярностей равным λ_пв /2 обеспечивает отражение части энергии поверхностной волны, дошедшей до этих краев, в обратном направлении при сохранении режима синфазного сложения пространственных волн. Выбор электрических поперечных размеров нерегулярностей увеличивающимися по любому монотонному закону с малой второй производной так, что электрические поперечные размеры ближайших к краям антенны нерегулярностей выбраны близкими к резонансным, а электрические поперечные размеры нерегулярностей, ближайших к возбудителю поверхностной волны, выбраны малыми по сравнению с λ_o, обеспечивает эффективное возбуждение пространственных волн на всей апертуре антенны поверхностной волны.

В результате совокупность указанных конструктивных признаков обеспечивает повышение эффективности возбуждения пространственных волн на нерегулярностях и противофазное сложение отраженных волн на входе антенны в режиме поперечного излучения без усложнения конструкции возбудителя поверхностной волны, что увеличивает коэффициент усиления и уровень согласования на входе антенны.

На фиг. 4 изображена направляющая структура в виде плоской ребристой поверхности, например, с линейными или кольцевыми канавками прямоугольного профиля, имеющими глубину h_o, ширину t и расположенными с шагом S. Нерегулярности также представляют собой, например, линейные или кольцевые канавки прямоугольного профиля, имеющие глубину h₁, ширину t и расположенные с шагом d. Выбор параметров направляющей структуры и нерегулярностей осуществляется в соответствии с описанными правилами следующим образом:
0 < h_o < λ_o/4; S, t << λ_o(как правило, выбираются следующие значения : t ≅ λ_o/10; S < λ_o/2);
d = λ_o/[1+ ( tg(kh )²] , где k = 2 π / λ_o;
h₁ = h_o + (0,01 - 0,05) λ_o;
h_N ≈ λ_o/4;
Глубины канавок h_i, i = 2, . . . , N-1 (нумерация канавок происходит от возбудителя поверхностной волны к периферии антенны) плавно и монотонно изменяются, например, по линейному или экспоненциальному закону между указанными значениями глубин крайних канавок. В частности, при линейном законе изменения глубин канавок
h_i = h₁ + (i-1) (1) при экспоненциальном законе изменения глубин канавок
h_i = h₁exp[α (i-1)] , (2) где α = (1/(N-1))ln(h_N-h₁).

Профиль канавок направляющей структуры и нерегулярностей может быть выбран и отличным от прямоугольного, например треугольным или в виде трапеции, а сами канавки могут быть выполнены, в том числе, дугообразными, расположенными, например, на ветвях спирали Архимеда.

На фиг. 5 изображена направляющая структура 2 в виде диэлектрической пластины толщиной h_o, имеющей прямоугольную или круговую форму и расположенной на металлической подложке с нерегулярностями в виде, например, линейных или кольцевых вставок (выемок), например, прямоугольного профиля толщиной h_i и шириной t_i, расположенных на направляющей структуре с шагом d, верхние поверхности которых выступают над поверхностью направляющей структуры на высоту S_i. Нерегулярности выполнены из диэлектрического материала с относительной диэлектрической проницаемостью ε_i. Если ε_i = 1, S_i < h_i, нерегулярности представляют собой выемки глубины h_i - S_i и ширины t_i. Если ε_i = ε, где ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрической пластины, S_i < h_i, нерегулярности представляют собой выступы, выполненные из материала диэлектрической пластины и выступающие над ее поверхностью на высоту S_i. Если S_i > h_i, нерегулярности представляют собой диэлектрические образования, расположенные над поверхностью диэлектрической пластины. Выбор толщины пластины, параметров и местоположения нерегулярностей определяется из соотношений
h_o < λ₀/ (2) ;
d = λ_o /(1+ X₀²), где Х₀ = W_ε tg ( k_ε h_o),
W_ε - волновое сопротивление среды, образующей диэлектрическую
k_ε = k
t_i << d;
max(k₁h₁, k₁t₁) << λ_o;
max(k_Nh_N, k_Nt_N) ≈ λ_o;
S_i < λ_o/ ;
Закон изменения электрических размеров нерегулярностей k_ih_i и k_it_i задается так же по формулам (1) и (2). Замечания относительно выполнения формы нерегулярностей также остаются справедливыми.

На фиг. 6 изображена направляющая структура 2, представляющая собой диэлектрическую пластину толщиной h_o, прямоугольную или круглую. Пластина расположена на металлической подложке, в которой расположены нерегулярности 3 в виде, например, линейных, круговых или дуговых выемок, например, прямоугольного профиля, глубиной h_i и шириной t_i, заполненные диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε_i. Выбор параметров направляющей структуры и нерегулярностей определяется соотношениями:
h_o < λ₀ 2 ;
d = λ_o/(1 + X₀²).

Глубины нерегулярностей h_i определяются как для нерегулярностей, изображенных на фиг. 5:
h₁ = (0,01 - 0,05) λ_o;
Значения параметров h_i, i = 2, . . . , N-1, определяются, например, по формулам (1) и (2).

Замечания относительно профиля нерегулярностей остаются справедливыми и для данной структуры.

На фиг. 7 изображена направляющая структура прямоугольной или круговой формы в виде диэлектрической пластины толщиной h_o, расположенной на металлической подложке. Диэлектрическая пластина имеет относительную диэлектрическую проницаемость ε. На поверхности диэлектрической пластины расположены с шагом d нерегулярности 3 в виде тонких металлических пластин, например, линейной, кольцевой или круговой формы, имеющих ширину t_i. Выбор толщины пластины, ширины и местоположения нерегулярностей определяется следующим образом.

Размеры h_o и d выбираются, как и в предыдущем случае, а ширины металлических пластин t_i выбираются, например, по формулам (1) или (2) при t₁ = (0,01-0,05) λ_o; t_N ≈ λ_o/2.

В качестве направляющих структур могут использоваться также другие структуры, поддерживающие единственный (низший) тип замедленной бегущей Е-волны, локализованной вблизи направляющей структуры, например плоскопараллельный частично заполненный диэлектриком волновод, в том числе с замедляющей структурой на одной или обеих стенках.

В качестве излучающих нерегулярностей могут использоваться, в частности, вибраторы, в том числе наклонные и крестообразные, круглые и/или эллиптические металлические диски, плоские металлические пластины квадратной, прямоугольной или ромбической формы, а также их двойственные аналоги - наклонные и крестообразные щели, отверстия в металлическом экране круглой, эллиптической, прямоугольной, квадратной или ромбической формы.

Габаритные размеры антенны определяются требуемой шириной ее ДН. В частности, для осесимметричной ДН, имеющей ширину Δ v_0,5 по уровню половинной мощности и направляющей структуры круговой формы имеют место соотношения
2D λ_o = 60^о/ Δ v_0,5, где D - расстояние от центра возбудителя поверхностной волны до центра наиболее удаленной от него нерегулярности.

Поляризационные свойства заявляемой антенны поверхностной волны определяются поляризационными свойствами возбудителя поверхностной волны, формой направляющей структуры, расположением и формой нерегулярностей. Например, при использовании линейного возбудителя поверхностной волны и направляющей структуры прямоугольной формы с линейными нерегулярностями может быть обеспечена работа антенны на линейной поляризации поля. При использовании возбудителя поверхностной волны в виде круглого волновода с волной Н₁₁ или круглого ребристого волновода с волной НЕ₁₁ и направляющей структуры круговой формы с дуговыми или кольцевыми нерегулярностями возможна работа антенны, например, на одной или нескольких переключаемых поляризациях, а также на круговой поляризации с правым или левым вращением. При использовании возбудителя в виде открытого конца коаксиальной линии и направляющей структуры круговой формы с дуговыми нерегулярностями, расположенными на ветвях спирали Архимеда, возможна работа антенны на круговой поляризации.

Кроме того, для формирования поля излучения с круговой или эллиптической поляризацией возможно использование нерегулярностей, создающих поле с линейной поляризацией, при расположении их на дугах окружностей или спиралей. (56) Заявка ФРГ N 3210895, кл. Н 01 Q 13/28, опублик. 1983.

Использование: антенная техника, различные радиосистемы, в частности системы приема спутникового телевидения. Сущность изобретения: антенна содержит возбудитель поверхностной волны, направляющую структуру, поддерживающую низшую поверхностную волну E-типа, и нерегулярности, расположенные на направляющей структуре вдоль прямых, ортогональных возбудителю поверхностной волны, равномерно с шагом d=λ_пв где λ_пв - длина низшей поверхностной волны E-типа, по обе стороны от возбудителя поверхностной волны. Электрические поперечные размеры нерегулярностей выбраны различными, плавно увеличивающимися при удалении от возбудителя поверхностной волны к периферии антенны по любому монотонному закону с малой второй производной по сравнению с λ_o , где λ_o - рабочая длина волны, до значения, примерно равного резонансному. При выполнении возбудителя поверхностной волны с симметричным (несимметричным) возбуждением расстояния от него до ближайших нерегулярностей, расположенных по разные стороны от возбудителя, выбрано отличающимся на λ_пв/2 (одинаковыми). Края направляющей структуры, не примыкающие к нерегулярностям, выполнены металлизированными, а расстояния от них до ближайших нерегулярностей выбрано равным λ_пв/2. 4 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. АНТЕННА ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ С ПОПЕРЕЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ, содержащая возбудитель поверхностной волны, направляющую структуру, поддерживающую низшую поверхностную волну E-типа, и нерегулярности, расположенные эквидистантно на направляющей структуре вдоль прямых, ортогональных возбудителю поверхностной волны, с интервалом d= λ_пв , где λ_пв - длина низшей поверхностной волны E-типа, по обе стороны от возбудителя по N нерегулярностей с каждой стороны, отличающаяся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления и улучшения согласования, электрические размеры нерегулярностей L_i, где i = ± 1, . . . ± N, выбраны монотонно увеличивающимися от возбудителя к периферии направляющей структуры в соответствии с функцией L = L(Z), вторая производная которой L′′(Z)<<λ₀ в интервале от L₁<< λ₀ до L ≈ L_рез , где λ₀ - рабочая длина волны, L_рез - резонансный размер, причем L_i являются выборками функции L (Z) в соответствующих точках. 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что возбудитель поверхностной волны выполнен с симметричным возбуждением, а расстояния R₁ и R_-1 до нерегулярностей L₁ и L_-1 отличаются на λ _/2}.
3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что возбудитель выполнен с несимметричным возбуждением, R₁ = R_-1 и L₁ = L_-1,
4. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что края направляющей структуры металлизированы на расстоянии λ _/2} от ближайших нерегулярностей.