РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК H01Q13/00 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано самостоятельно либо в многозеркальных антеннах СВЧ-диапазона в качестве первичного излучателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, в котором собственно рупорная часть дополнена насадкой импедансного типа с прорезанными на ее стенках четвертьволновыми канавками. Насадка является вырезкой из конической поверхности и электрически соединена с рупорной частью. Ее цель - повысить степень симметрии в широкоугольной ДН рупорного излучателя и снизить уровень дальных боковых лепестков.

Оптимальный угол раствора конической насадки α_H выбран в соответствии с соотношением α_Н≈ α₂+ 45^о, где α₂- угол раствора расфазированной части рупора с изломом. Вообще же можно брать α₂<α_H<α₂+90^о. ДН такого рупора весьма осесимметрична, а габариты невелики (3-4λ ).

Однако, его недостатком является сильная зависимость положения фазового центра (ФЦ) l_ф рупора от расстояния до точки наблюдения, причем насадка на положение ФЦ не влияет. Число четвертьволновых канавок равно восьми. При установке такого рупора в антенну типа АДЕ коэффициент использования настроенной антенны меняется в интервале значений 0,6. . . 0,65, тогда как его расчетное теоретическое значение равно 0,9. Анализ фазовых ошибок в антенне показывает, что в центре антенны ошибки могут доходить до 180^о. Это приводит к существенному росту эффективного затенения и падению коэффициента использования.

Цель изобретения - формирование широкоугольной осесимметричной формы диаграммы направленности с большой крутизной скатов, получение независимого от расстояния положения фазового центра и минимизация габаритов РИ.

Это достигается тем, что собственно рупор дополняется электрически соединенной с ним насадкой импедансного типа с четвертьволновыми канавками на стенках, причем насадка выполнена в виде отрезка цилиндра с диаметром излучающего раскрыва, равным 2,0λ , а общее число канавок не менее восьми.

Если рупор с размерами излучающей апертуры 2,0λ , создающий примерно осесимметричное распределение в раскрыве, плавно сопрягается с насадкой в виде отрезка гофрированного волновода, в котором распространяется первая гибридная мода с практически осесимметричным и синфазным распределением, то при достаточной длине насадки поле в излучающем раскрыве РИ оказывается близким к полю в бесконечном волноводе с четвертьволновыми канавками на стенках, т. е. осесимметричным и синфазным. При указанной геометрии насадки излученное поле, начиная с расстояния большихλ, оказывается достаточно широкоугольным, весьма осесимметричным с крутыми скатами, а положение его фазового центра практически не зависит от расстояния до точки наблюдения, что подтверждено экспериментально.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема предлагаемого излучателя по пп. 1 и 2, в произвольном центральном сечении; на фиг. 2 - то же, по пп. 1 и 3, в центральном сечении; на фиг. 3 - то же, по пп. 1-4, внешний вид; на фиг. 4 - амплитудные и фазовые распределения на разных расстояниях для излучателя по п. 2 (рупор обычный синфазный с гладкими стенками, насадка с кольцевыми канавками); на фиг. 5 - амплитудные и фазовые распределения для излучателя по п. 2 (рупор с изломом расфазированный с гладкими стенками, насадка с кольцевыми канавками); на фиг. 6 - то же (питающая рупорная часть: открытый конец прямоугольного волновода с круглым фланцем, насадка с кольцевыми канавками); на фиг. 7 - амплитудные и фазовые распределения для излучателя по п. 3 (рупор обычный синфазный с гладными стенками, цилиндрическая насадка с двухзаходной спиральной четвертьволновой канавкой); на фиг. 8 - то же, (рупор с изломом с гладными стенками, насадка цилиндрическая с двухзаходной спиральной четвертьволновой канавкой).

Рупорный излучатель (фиг. 1) содержит собственно рупорную часть 1 в виде, например, конического рупора и электрически соединенную с ним по линии аa' насадку 2 импедансного типа с системой четвертьволновых канавок 3.

Насадка 2 выполнена в виде отрезка цилиндра с внутренним диаметром 2r_o = 2λ, при этом ширина каждой канавки равна S ≃ расстояние по металлу между двумя соседними канавками равно t ≃ , а общее число канавок в каждом центральном сечении взято не менее восьми. При этом канавки в насадке выполнены концентрическими кольцевыми.

Рупорный излучатель (фиг. 2) содержит собственно рупорную часть 1 в виде, например, конического расфазированного рупора с изломом с гладкими стенками и электрически соединенную с ним по линии аа' насадку 2 импедансного типа с системой четвертьволновых канавок 3. При этом в насадке 2 канавки выполнены в виде n-заходной спирали (n= 1,2, . . . , h) с шагом каждой спирали, равным и сдвигом начальных точек каждой ветви спирали на (n = 2; 3, . . . , ) между собой. При таком построении все канавки верхнего сечения, помеченные значком "х" оказываются сдвинутыми на λ/4 относительно канавок в нижнем сечении, помеченных значком "0".

Рупорный излучатель (фиг. 3) содержит собственно рупорную часть 1 в виде, например, пирамидального рупора с плоским круглым фланцем и электрически соединенную с ним по поверхности фланца насадку 2 импедансного типа с системой четвертьволновых канавок 3. Кроме того, насадка 2 дополнена электрически соединенной с ней конической рупорной частью 4 с гладкими стенками с половиной угла раствора α₂ 30÷40^°.

Излучатель работает следующим образом. В бесконечном цилиндрическом волноводе с четвертьволновыми канавками на стенках при условиях 2r_o = 2λ ; 2r₁= 2λ + ; t ; S может существовать гибридная мода с характеристиками: затуханием β, в несколько раз меньшем чем для волны Н₁₁, в круглом волноводе с гладкими стенками и с практически осесимметричным и синфазным распределением в каждом поперечном сечении. Такое положение сохраняется в частотном диапазоне с перекрытием 1,6: 1.

Для того, чтобы эту моду в достаточно чистом виде возбудить в конечном отрезке такого волновода необходимо подать на вход волновода в сечении аа' волну с близким к осесимметричному распределением и ограничить отрезок волновода минимально возможной длиной (соответственно с минимальным числом канавок), при которой эта мода распространяется и затем излучается.

Указанные условия могут быть определены только экспериментально.

В соответствии со сказанным рупорная часть 1 спроектирована на получение в плоскости раскрыва с диаметром 2r_o = 2λ почти осесимметричного распределения. Для обычного рупора с гладкими стенками, питаемого круглым волноводом, условие это соответствует собственной расфазировке рупора γ_o= ·tgα₂≃ π , т. е. α₂ ≈45^о.

Для рупора с изломом, питаемого круглым волноводом, также условия получаются при d_и = 2r_р = 1,3 λ, d_p = 2r_p = 2λ, α₁= 11^o и α₂ ≈20-60o.

Для пирамидального рупора такие условия соответствуют примерно соотношению широкой и узкой стенок как 3: 2.

Рупорная часть может быть использована любого типа: на базе синфазных, конических, пирамидальных и т. д. рупоров, необходимо лишь, чтобы осевая симметрия в ее раскрытие выдерживалась хотя бы приблизительно. Более важно то, что на длине отрезка гофрированного волновода должно находиться не менее восьми канавок в каждом центральном сечении, так как только в этом случае необходимая мода эффективно возбуждается и излучается в свободное пространство.

Излучатель (фиг. 1) работает следующим образом.

В рупорной части 1, питаемой круглым волноводом по волне Н₁₁, возникает сферическая волна с почти осесимметричным распределением амплитуд в плоскости раскрыва аа' и центром в вершине прилегающего расфазированного или ему подобного рупора. Расфазированный рупор в качестве части 1 РИ взят в качестве одного из возможных примеров. Волна типа Н₁₁ переходит в насадку с малыми отражениями, возбуждая в ней сопряженную с Н₁₁ низшую гибридную моду с соответствующим осесимметричным и синфазным распределением. Эта волна доходит до раскрыва Q насадки и излучается в свободное пространство. Характеристики излученной волны определяются полем в излучающем раскрыве Q, который в соответствии с Т, оказывается почти равномерно и синфазно возбужденным. Как видно экспериментально получено 2θ_0,5≈40^о, что соответствует близкому к равномерному распределению вида ₌ - где ρ - радиальная координата в излучающем раскрыве, 0≅ρ≅λ. Для столь малого раскрыва расстояние, начиная с которого излученная волна становится сферической, меньше 2r_o, считая от плоскости раскрыва РИ. Однако, положение фазового центра l_ф для этой волны, не зависящее от расстояния l_R, различно для разных рупорных частей. Оно меняется от l_ф = 0 для насадки с кольцевыми канавками до l_ф ≈ - для насадки со спиральными канавками.

Показанные на фиг. 4 экспериментально полученные амплитудные и фазовые распределения соответствуют слабо расфазированному рупору с углом раствора 3,5^о и длиной 220 мм (рупорная часть 1). Измерения выполняются на четырех расстояниях l_R= 50; 100; 200 и 400 мм при λ= 26,8 мм, т. е. как в ближней, так и в дальней зонах поля излучения РИ. Для всех расстояний положение фазового центра одно и тоже: он расположен в плоскости излучающего раскрыва Q. Форма ДН с расстоянием не меняется. ДН в плоскости Н уже, чем в плоскости Е.

На фиг. 5 показаны результаты аналогичных измерений, когда в качестве рупорной части 1 использован рупор с изломов с параметрами α₁= 11^о; α₂= 25^о, d_и = 32 мм и d_p = 54 мм. Такой рупор обеспечивает существенно большую степень симметрии в плоскости раскрыва, чем для предшествующего случая. Соответственно и результаты измерений оказываются лучше: увеличивается степень симметрии между плоскостями Е и Н поля и возрастает крутизна скатов. Положение фазового центра остается тем- же - в плоскости излучающего раскрыва Q. Таким образом, результаты излучений подтвердают наличие ожидаемых положительных эффектов в предлагаемом РИ. При этом, чем симметричное поле в раскрыве, тем более четко выражен положительный эффект.

На графиках фиг. 6 представлены результаты измерений РИ в том случае, когда требования, предъявляемые к полю в раскрыве рупорной части 1, заведомо плохо выполняются. Эксперимент выполнен для выяснения стабильности работы устройства. В качестве рупорной части 1 используется открытый конец прямоугольного волновода с размерами 5,5 х 19 мм на той же длине волны, λ= 26,8 мм, f = 11,2 ГГц с круглым фланцем до диаметра 2 r_o. В этом случае фазовый центр углубляется на расстояние 55 мм внутрь насадки, а поле в ближней зоне теряет регулярный характер. Однако, начиная с расстояния l_R = 100 мм (≈ 4λ ) ДН оказывается весьма симметричными, с крутыми скатами, причем главный лепесток сужается по уровню - 10 дБ до ±(22-25)^о: фазовые распределения в этом секторе углов вполне приемлемы. Это свидетельствует о большей синфазности поля в раскрыве Q и о меньшем уровне возбуждающего раскрыв поля. Такой результат объясняется тем, что насадка возбуждается полем волны Н₁₀ с большей линейностью по поляризации, чем для волны Н₁₁ и с меньшим уровнем возбуждения кромки. Таким образом, положительный эффект отмечен и в случае достаточно сильных отступлений питающей рупорной части 1 от сформулированных оптимальных требований. При этом в ближней зоне эффекта нет, а фазовый центр сильно углубляется внутрь насадки.

Излучатель (фиг. 2) работает следующим образом.

В качестве примера выполнения рупорной части 1 на фиг. 2 показан расфазированный конический рупор с изломов образующей, питаемый волной типа Н₁₁. Такой рупор при геометрии обеспечивает достаточно симметричное распределение амплитуд поля в раскрыве. Это поле в плоскости аа' сопрягается с возбужденным им полем в насадке 2. Как следует из геометрии, задачи при n-заходной спирали и выбранном шаге каждой ее ветви в любом центральном сечении число четвертьволновых канавок и расстояние между ними сохраняются неизменными и заданными. Поэтому в отрезке волновода возникает желаемая мода. Учитывая, что в каждом сечении системы противолежащих канавок сдвинуты на λ/4 , отраженные от канавок и плоскости раскрыва волны возвращаются в рупор в противофазе, т. е. взаимно компенсируются. Это ведет к улучшению согласования РИ с питающим волноводом. Излученные каждой парой противолежащих точек дифракционные волны сдвинуты на 90^о между собой, причем эта расфазировка сохраняется для всех точек окружности S излучающего раскрыва (фиг. 3) и нарастает с движением точек вдоль окружности S. Сложение расфазированных вдоль кромки полей приводит к уменьшению уровня бокового излучения, связанной с дифракционными волнами кромки. Поэтому крутизна скатов в измеренной ДН (на фиг. 7 и 8) больше, чем для РИ на фиг. 4 и 5 соответственно. Особенно крутыми скаты ДН оказываются для случая рупорной части 1 в виде рупора с изломом, как это видно из кривых фиг. 8. Кривые амплитудных и фазовых распределений, показанные на фиг. 7 и 8, измерены на разных расстояниях от плоскости раскрыва при одном и том же положении фазового центра l_ф = 16 мм, (т. е. ≈ ) на расстояниях l _R= 50; 100 и 200 мм. Амплитудные распределения практически одинаковы по плоскостям Е и Н поля, причем форма ДН не меняется с расстоянием. Фазовые ошибки в пределах сектора ±30^о весьма малы. Измеренные ДН оказываются широкоугольными, по уровню - 10 дБ соответствующим значениям угловθ ≈±30^о. Такие распределения со стабильным даже в ближней зоне положениям фазового центра весьма благоприятны для ДЗА с малыми электрическими размерами, когда диаметр малого зеркала порядка 3-. . . 4 длин волн.

Таким образом, теоретическое объяснение работы РИ и экспериментальные результаты находятся в полном согласии друг с другом. Они показывают, что предложенный РИ обеспечивает достижение поставленных целей изобретения.

Излучатель (фиг. 3) до плоскости излучающего раскрыва Q насадки работает аналогично описанным случаям в зависимости от вида рупорной части 1 и характера выполнения насадки (концентрические или спиральные канавки). Добавление конической насадки 4 превращает РИ по характеру излучения в известный рупор с изломом, в сечении Q которого формируется синфазное поле. Дополнительная коническая рупорная часть 4 выполнена с углом α₂, соответствующим углуθ в излученном поле РИ по пп. 1, 2 и 3, отвечающим уровням - (8. . . 10)дБ (см. распределения на фиг. 4. . . 8). При таком выборе угла α₂ ДН в поле излучения РИ наиболее осесимметричны и круты, а положение фазового центра стабильно. Габариты такого рупора превосходят габариты РИ по пп. 1. . . 3. Соответствующий РИ может использоваться как самостоятельная антенная система.

На основе описанного технического решения могут быть сконструированы рупорные излучатели, эффективно решающие задачи создания ДЗА симметричного или несимметричного типов малых электрических размеров с высоким КИП и низким уровнем боковых лепестков. Естественно, что предложенные РИ будут столь же эффективны и для ДЗА с большими электрическими размерами при большей технологичности и меньших габаритах, чем известные.

Конструкция излучателя обладает необходимой простотой и технологичностью. (56) Труды НИИР, 1990, N 3, с. 21-24.

Использование: антенная техника, в частности многозеркальные антенны СВЧ-диапазона. Сущность изобретения: рупор снабжен насадкой в форме отрезка цилиндра с четвертьволновыми канавками на внутренней поверхности. Канавки могут быть соосны или в форме многозаходной спирали. Их размеры и число выбраны из представленных соотношений. Может быть введена вторая насадка в форме усеченного конуса. 3 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ, содержащий рупор и установленную соосно с ним на его раскрыве и электрически соединенную с ним насадку, на внутренней поверхности которой выполнены четвертьволновые канавки, отличающийся тем, что насадка выполнена в виде отрезка цилиндра с внутренним диаметром 2r_o = 2λ где λ - рабочая длина волны, при этом ширина каждой канавки S ≈ 2 λ / 15 , расстояние между соседними канавками вдоль поверхности d ≈ λ / 15 , а общее число канавок в каждом центральном сечении составляет не менее восьми. 2. Излучатель по п. 1, отличающийся тем, что четвертьволновые канавки выполнены соосными. 3. Излучатель по п. 1, отличающийся тем, что четвертьволновые канавки выполнены в форме n-заходной спирали, где n = 1, 2 . . . , с шагом каждой спирали, равным n λ / 2 , и относительным сдвигом начальных точек заходов спирали, равным π / K , где K = 2, 3 . . . 4. Излучатель по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что введена дополнительная насадка, выполненная в форме усеченного конуса, у которого половина угла раскрыва α/2 30-40^° и внутренний диаметр меньшего основания равен 2r₀, установленная соосно на раскрыве насадки и электрически соединенная с ней.