РАСФАЗИРОВАННАЯ РУПОРНАЯ АНТЕННА Российский патент 1994 года по МПК H01Q13/02 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано как самостоятельно, так и в качестве облучателя зеркальных антенн СВЧ-диапазона для радиорелейных и им подобных линий связи.

В ряде случаев необходимо изменять для существующего расфазированного рупора соотношение между шириной диаграмм в плоскостях Е и Н по уровню 20_0,5 в заранее заданном соотношении. При этом может возникать потребность либо в более высоком симметрировании диаграмм по плоскостям между собой, либо же наоборот - в значительном расхождении угловой ширины диаграмм в двух главных плоскостях поля. В первом случае можно повысить коэффициент использования антенны (КИП), во втором - получить веерную форму диаграммы направленности. Кроме того, всегда желательно, чтобы фазовые центры излученного поля в плоскостях Е и Н были совмещены.

При совмещении фазовых центров происходит дополнительное повышение коэффициента усиления (КУ) антенны за счет исключения фазовой неоднородности поля в раскрыве.

В известной технической литературе отсутствуют рекомендации, позволяющие для готового расфазированного рупора произвольным образом менять ширину главного лепестка в Е и Н плоскостях поля без изменения конструкции самого упора либо смещать положение фазового центра поля в плоскости Н.

Изобретение направлено на частное решение задачи изменения ширины главного лепестка в одной плоскости поля, оставляя неизменной его ширину в другой. Кроме того, оно позволяет путем подбора длины выступающей части вставки перемещать положение фазового центра в плоскости Н, например, до совпадения его с фазовым центром в плоскости Е.

Известна рупорная антенна, в которой для сужения главного лепестка в плоскости Е с целью симметрирования диаграммы на стенках рупора установлена система радиально расположенных металлических или поглощающих пластин, так что отношение внутреннего диаметра пластин к внешнему диаметру составляет примерно 2: 3. Это позволяет симметрировать диаграмму расфазированного рупора. Недостатком является необходимость изменения конструкции рупора с обеспечением контакта между пластинами рупора по всей длине пластин. Кроме того, в этом рупоре влияние на ширину главного лепестка в диаграмме рупора по плоскости Н невозможно.

Наиболее близким по технической сущности является рупор с диэлектрической вставкой специального профиля, позволяющей симметрировать форму главного лепестка диаграммы. Удобством прототипа является отсутствие необходимости в переделке конструкции рупора, так как вставка изготавливается независимо от рупора и может быть убрана при отсутствии в ней необходимости.

Недостатком прототипа является невозможность влиять на ширину главного лепестка в плоскости Н.

Целью изобретения является регулируемое расширение главного лепестка диаграммы поля излучения расфазированного рупора в одной плоскости при сохранении практически неизменной ширины главного лепестка в ортогональной плоскости поля, а также совмещение фазовых центров поля в плоскостях Е и Н между собой.

Цель достигается тем, что в расфазированной рупорной антенне со вставкой из радиопрозрачного диэлектрика, вставка укреплена в рупоре со стороны его раскрыва, причем одной своей поверхностью она прилегает к части стенки рупора, торцевая сторона вставки параллельна плоскости раскрыва, а третья поверхность образована прямой линией, соединяющей между собой образующие прямые первых двух поверхностей, так что сечение вставки имеет форму симметрично расположенных относительно оси рупора треугольников. Кроме того, на свободной внутренней поверхности вставки расположена система непересекающихся между собой проволочек.

Проволочки выполнены в виде равноотстоящих друг от друга замкнутых контуров, каждый из которых лежит в плоскости, параллельной плоскости раскрыва, и повторяет форму контура раскрыва расфазированной рупорной антенны. Такое выполнение позволяет расширять главный лепесток в плоскости Н в требуемом соотношении путем изменения числа проволочек.

Система проволочек расположена на торцевой части вставки и образована радиальными проволочками. Путем изменения их числа и длины можно расширять главный лепесток в плоскости Е в заданном соотношении.

Вставка с проволочными контурами продолжена за раскрыв рупора вперед. Регулируя длину выступающей части вставки, добиваются совмещения фазовых центров в плоскостях Е и Н.

Система проволочек, параллельных вектору Е, при достаточной их плотности образует как бы металлическую стенку для поля падающей волны (например, типа Н), а та же система проволочек, перпендикулярная вектору Е, оказывается радиопрозрачной. Поэтому, если, например, в коническом рупоре установить такую систему металлических проволочек вдоль поверхности конуса с углом, меньшим угла раствора рупора (см. фиг. 1, а), то эффективно излучающий раскрыв окажется эллиптической формы (см. фиг. 1, б). Малая ось излучающего раскрыва будет перпендикулярна вектору Е, а большая - параллельна. Соответственно главный лепесток диаграммы в плоскости Е останется неизменным, а в плоскости Н расширится. Степень расширения можно регулировать как углом наклона конической поверхности, на поверхности которой расположена система проволочек, так и числом проволочек.

Аналогичная ситуация имеет место для радиальных проволочек, влияющих на поле в плоскости Е.

Вставка, может быть продолжена за раскрыв рупора. Проволочки на выступающей части вставки с остальными образуют эффективно излучающий в плоскости Н рупор, раскрыв которого смещен вперед по отношению к раскрыву металлического рупора. Фазовый центр рупора по плоскости Н смещен относительно раскрыва "проволочного рупора". Регулируя длину выступающей части вставки, можно перемещать положение фазового центра рупора по плоскости Н относительно положения фазового центра по плоскости Е, добиваясь в частности их совмещения.

Достижение цели обеспечивается тем, что никаких дополнительных признаков для этого кроме указанных не требуется.

Наличие новых признаков (коническая форма рабочей поверхности радиопрозрачной вставки и система замкнутых металлических проволочек на поверхности вставки формой, повторяющей форму излучающего раскрыва рупора), отличает предложенное устройство прототипа и тем самым доказывает, что это решение является новым.

Симметрирование диаграммы рупора позволяет повысить КИП антенны и уменьшить уровень утечки энергии вне области главного излучения. В ряде случаев необходимо иметь разную ширину диаграммы антенны по плоскостям поля, что обеспечивается разной шириной диаграммы излучателя - рупора. Экспериментальные диаграммы, показывающие возможность расширения главного лепестка диаграммы рупора (первичного излучателя), приводятся на фиг. 4. Следовательно, использование предложения позволяет улучшить направленные качества антенны с данным рупорным излучателем, т. е. позволяет получить положительный эффект.

Перечисленные отличия, а именно: сечение рабочей поверхности радиопрозрачной вставки, повторяющей сечение раскрыва рупора, и наличие на рабочей поверхности вставки системы замкнутых металлических проволочек формой, повторяющей форму излучающего раскрыва рупора, отсутствуют в технической литературе. Кроме того, они обеспечивают достижение положительного эффекта - регулируемое изменение ширины главного лепестка в одной плоскости поля с последующим улучшением основных электрических характеристик в антенне. Следовательно, предложенные отличия являются существенными.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства по п. 1; на фиг. 2 - схема устройства по пп. 2 и 4; на фиг. 3 - схема устройства по п. 3; на фиг. 4 - экспериментальные результаты измерений устройства по п. 2; на фиг. 5 - то же, по п. 3; на фиг. 6 - экспериментальная зависимость ширины диаграммы 2 θ_0,5 от числа проволочных контуров (колец).

В расфазированной рупорной антенне 1 (см. фиг. 1) имеется вставка 2 из радиопрозрачного диэлектрика. Рупорная антенна может быть конической, пирамидальной или секторной с соответствующим контуром излучающего раскрыва: круглым, прямоугольным и т. п. Для примера на фиг. 1. . . 3 изображены конические рупоры. Вставка 2 укреплена в рупоре 1 со стороны его раскрыва Р. Одной своей поверхностью a-b она прилегает к части a-b стенки рупора 1, другая ее поверхность a-c образована прямой линией, а третья сторона b-c вставки 2 (торцевая) параллельна плоскости раскрыва Р, так что сечение вставки 2 имеет форму треугольника. На свободной поверхности вставки a-c или b-c расположена система непересекающихся между собой проволочек 3_n (n = 1,2. . . ). Система проводников выполнена в виде равноотстоящих друг от друга замкнутых контуров Кп, каждый из которых лежит в плоскости, параллельной плоскости раскрыва b-b и повторяет форму контура раскрыва расфазированной рупорной антенны (см. фиг. 2).

Система проволочек 3 расположена на торцевой части вставки 2 и образована радиальными проводниками (см. фиг. 3).

Вставка с проволочными контурами выступает за раскрыв рупора вперед (см. фиг. 2).

Рассмотрим действие устройства на примере конического рупора, питаемого волной Н₁₁. Пусть вектор Е питающего поля расположен вертикально-параллельно оси X (см. фиг. 1). Падающая волна возбуждает проволочку, если ее ориентация параллельна вектору Е, и не возбуждает ее, если она перпендикулярна. Когда число проволочек на единицу длины велико, например расстояние между соседними проволочками меньше 0,1λ , то система проволочек действует как сплошной экран. Так как ориентация провода по отношению к вектору Е меняется вдоль контура, то система проволочек оказывается радионепрозрачной в плоскости Y и прозрачной в плоскости Х. Поэтому для поля в плоскости Y (плоскость Н) излучающий раскрыв рупора имеет форму эллипса (см. фиг. 1, б), больший диаметр которого совпадает с его диаметром и параллелен оси X, а малый диаметр - совпадает с d_вн системы из проволочек и параллелен оси Y. Чем меньше линейный размер излучающего раскрыва в плоскости измерений, тем шире главный лепесток ДИ. Поэтому для случая, показанного на фиг. 1, главный лепесток в плоскости Н расширяется по сравнению с исходным рупором. Подбирая значения d_внутр, можно получить требуемую ширину ДН в плоскости Н. Аналогично работает устройство по п. 2 (см. фиг. 2).

Система радиальных проволочек (см. фиг. 3) падающим полем возбуждается аналогично первому случают, но теперь излучающий эллиптический раскрыв поворачивается на 90^о, т. е. его большая ось оказывается параллельной оси Y. В этом случае в плоскости измерений (плоскости Y) главный лепесток для Е-поляризация будет уже, чем для Н-поляризации.

Фазовый центр измеренного поля (см. фиг. 4) в плоскости Н смещен вперед настолько, насколько вперед выступает вставка с проволочными контурами. Регулируя длину выступающей части вставки, добиваются совмещения между собой положения фазовых центров по плоскостям поля.

На фиг. 4 представлены результаты экспериментальных исследований устройства по п. 2. Из графиков видно, что в зависимости от числа колец можно регулировать ширину главного лепестка диаграммы по плоскости Н, достигая необходимого ее значения. Оптимально n ≈ (3-4) при расположении проволочек от раскрыва рупора вглубь его.

На фиг. 5 представлены результаты экспериментальных исследований устройства по п. 3. Из графиков видно, что, изменяя число радиальных проволочек n, можно регулировать ширину диаграммы по плоскости Е, достигая необходимого ее значения, при этом n_опт ≈ (5-10)d_р/ λ.

На фиг. 6 представлены экспериментальные зависимости, показывающие, как меняется ширина главного лепестка по фиксированным уровням (в дБ) -5; -7,5; -10; -12,5 и -15 дБ в зависимости от числа проволочек (колец). Для сплошных кривых число колец уменьшалось от 7 до 0 в направлении от раскрыва к горлу рупора, для пунктирных кривых - в обратном направлении. Как видно из результатов измерений основной эффект обеспечивают кольца, расположенные вблизи раскрыва рупора. Достаточно трех-четырех колец (для исследованного рупора) для стабилизации результата. Исследовался рупор с изломом с данными 2 α₂ = 50^о; 2 α₁ = 22,12^о; d_р = 54; d_изл. = 32; d_в = 23, f = 11,2 ГГц ( λ = 25,8 мм).

Использование: в антенной технике как самостоятельно, так и в качестве облучателя зеркальных антенн СВЧ-диапазона. Сущность изобретения: в антенне со вставкой из радиопрозрачного диэлектрика вставка укреплена в рупоре со стороны раскрыва и имеет в своем сечении форму двух симметрично расположенных относительно оси рупора треугольников, а на свободной поверхности вставки расположена система непересекающихся между собой проводников. Одна сторона вставки прилегает к поверхности рупора. Для расширения главного лепестка в плоскости Н система проводников выполнена в виде равноотстоящих друг от друга замкнутых контуров, расположенных на свободной стороне вставки, каждый из которых имеет форму, подобную форме излучающего раскрыва. Для расширения диаграммы в плоскости Е система проводников расположена на торцевой части вставки и образована равномерно расположенными радиальными проводниками. Для достижения эффекта в плоскости Н достаточно 3 - 4 проволочных контуров, прилежащих к плоскости раскрыва рупора. Для радиальных проводников их достаточное число n определяется неравенством n- (5-10)d_p/λ . Изобретение позволяет регулировать ширину главного лепестка диаграммы рупорной антенны в одной плоскости, а также совместить между собой положение фазовых центров измеренного поля в плоскостях E и H. 6 ил.

1. РАСФАЗИРОВАННАЯ РУПОРНАЯ АНТЕННА со вставкой из радиопрозрачного диэлектрика, отличающаяся тем, что, с целью регулируемого изменения ширины главного лепестка путем его расширения в одной плоскости поля, вставка укреплена в рупоре со стороны его раскрыва, причем одной своей поверхностью она прилегает к части стенки рупора, торцевая сторона вставки параллельна плоскости раскрыва, а третья поверхность образована прямой линией, соединяющей образующие прямые первых двух поверхностей между собой так, что сечение вставки имеет форму двух симметрично расположенных относительно оси рупора треугольников, при этом на свободной поверхности вставки расположена система не пересекающихся между собой проводников. 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью расширения главного лепестка в плоскости H, система проводников выполнена в виде равноотстоящих друг от друга замкнутых контуров, каждый из которых лежит в плоскости, параллельной плоскости раскрыва, и имеет подобную ему форму. 3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью изменения ширины главного лепестка в плоскости E, система проводников расположена на торцевой части вставки и образована равномерно расположенными радиальными проводниками. 4. Антенна по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что, с целью совмещения между собой фазовых центров в E и H плоскостях поля, вставка с проводниковыми контурами продолжена за раскрыв рупора вперед.