ВОЛНОВОДНО-РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК H01Q13/02 

Изобретение относится к радиотехнике, а точнее - к антенной технике, и может быть использовано как в виде самостоятельной антенны, так и в составе более сложных антенн.

Известны волноводно-рупорные излучатели на основе круглых и прямоугольных волноводов, которые широко применяются на СВЧ в качестве облучателей зеркальных антенн и элементов антенных решеток. Недостатком таких излучателей являются сравнительно большие масса и поперечные размеры, задача уменьшения которых особенно актуальна при размещении их на самолетах и космических аппаратах.

Известны также излучатели на основе волноводов с уменьшенными поперечными размерами, например Н-образные. Такие излучатели содержат массивные металлические гребни для согласования волновых сопротивлений Н-образного волновода и свободного пространства. Металлические гребни вблизи раскрыва излучателя имеют определенную криволинейную форму, которая, как и зазор между гребнями в волноводе, должна выдерживаться с большой точностью.

Так, известна рупорная антенна, в Е-плоскости которой расположены два металлических гребня. Расстояние между внутренними кромками этих гребней увеличивается от горловины к раскрыву рупора по степенному закону. Оптимальное для данной конструкции согласование можно получить, если форма кромки гребня описывается степенной функцией четвертой-пятой степени.

При том основание каждого гребня, примыкающее к стенке антенны, не является прямолинейным (имеется излом в горловине). Изготовление такого сложного металлического гребня возможно только фрезерованием, что является довольно трудоемким технологическим процессом. Но и после изготовления гребней требуемые электрические характеристики антенны могут оказаться недостигнутыми, если при сборке гребни не будут точно установлены друг относительно друга.

Таким образом, недостатками антенны являются большая масса и сложная технология изготовления гребней, а также необходимость точной установки гребней в излучателе при сборке.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому волноводно-рупорному излучателю является принятый за прототип волноводно-рупорный излучатель, выполненный на круглом волноводе. Внутри этого волновода установлены два гребня, не выходящие в расширяющуюся рупорную часть. Увеличение расстояния между кромками гребней начинается от устройства возбуждения, представляющего собой замкнутый на один из гребней штырь, являющийся продолжением центрального проводника коаксиального фидера, внешний проводник которого образован поверхностью цилиндрического отверстия в другом гребне, так что коаксиальный ввод ортогонален продольной оси излучателя. Так как кромка каждого гребня, примыкающая к стенке волновода, является прямолинейной по всей длине гребня, то изготовление таких гребней и их установка в излучателе являются все-таки сложными, хотя и более простыми, чем в случае рупорной антенны. Кроме того, поскольку в горловине прототипа имеется поперечное сечение, не содержащее гребней, применение гребневого волновода, улучшая согласование, не уменьшает поперечного сечения волновода.

Таким образом, недостатками прототипа являются:
большие масса и поперечные размеры (применены толстые металлические гребни в волноводе и ортогональный коаксиальный ввод), что нежелательно при размещении на летательных аппаратах и при использовании в антенных решетках; сложность технологии изготовления излучателя (фрезерование гребней с последующим сверлением отверстий) и обеспечения зазора между гребнями при сборке, влияющего на согласование в рабочем диапазоне частот.

Цель изобретения - уменьшение массы, поперечных размеров и упрощение технологии изготовления излучателя.

Для достижения цели предлагается волноводно-рупорный излучатель, содержащий отрезок короткозамкнутого металли- ческой пластиной волновода, в Е-плоскости которого, посередине, размещены два продольных металлических гребня с плавно изменяющимся зазором между ними, возбудитель и отверстие для фидера.

Металлические гребни выполнены в виде металлизации одной из сторон диэлектрической пластины, установленной в Е-плоскости излучателя, на другой стороне которой металлизацией выполнен возбудитель в виде изогнутого проводника, пересекающего в проекции зазор между металлическими гребнями на расстоянии λ_в/4 от металлической пластины, где λ_в - максимальная рабочая длина волны в волноводе, причем отверстие для фидера расположено в металлической пластине, а фидер выполнен в виде несимметричной полосковой линии, экраном которой является один из металлических гребней, а полоском - часть изогнутого проводника, расположенная между отверстием для фидера и возбудителем, при этом остальная часть изогнутого проводника, между его концом и возбудителем, вместе с другим металлическим гребнем образует разомкнутый отрезок несимметричной полосковой линии длиной λ_п/4, где λ_п - максимальная рабочая длина волны в полосковой линии.

Наличие отличительных признаков обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна".

Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого волноводно-рупорного излучателя из литературы не известно, поэтому он соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг.1 показан волноводно-рупорный излучатель, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид спереди; на фиг.3 показана диэлектрическая пластина с нанесенной на ее поверхность металлизацией; на фиг.4 показана обратная поверхность диэлектрической пластины; на фиг.5 - эквивалентная схема устройства возбуждения.

Волноводно-рупорный излучатель (фиг. 1) содержит отрезок волновода 1 длиной L, короткозамкнутый на одном конце металлической пластиной 2, а другим концом соединенный с рупором 3 длиной С. Внутри излучателя, перпендикулярно широким стенкам волновода, в Е-плоскости, в средней их части установлена диэлектрическая пластина 4 длиной L+C и толщиной W (фиг.2). Металлизация одной из сторон пластины 4 выполнена так, что образует гребни 5, 6 (фиг.2, 3). Между этими гребнями в волноводе 1 имеется зазор 7 постоянной ширины t, переходящий в зазор увеличивающейся ширины. На обратной стороне пластины 4 на участке, примыкающем к пластине 2, имеется возбудитель в виде изогнутого проводника 8, 9 (фиг.4), выполненный металлизацией и пересекающий в проекции зазор 7. Расстояние от пластины 2 до места изгиба возбудителя составляет l₁ = λ_в/4 (фиг.1), где λ_в - максимальная рабочая длина волны в волноводе. Так как возбудитель и гребни находятся на разных сторонах пластины 4, они не имеют гальванического контакта. Выходной (входной) фидер выполнен в виде несимметричной полосковой линии, экраном которой является гребень 6, а полоском - часть 8 изогнутого проводника между возбудителем и отверстием 10 в пластине 2. Таким образом, фидер является соосным относительно излучателя, что уменьшает его поперечные размеры. Часть 9 изогнутого проводника между его концом и возбудителем вместе с гребнем 5 образует разомкнутый отрезок несимметричной полосковой линии длиной l₂ = λ_п/4 (фиг.1), где λ_п - максимальная рабочая длина волны в полосковой линии.

Толщина металлизации на обеих сторонах пластины 4 составляет V. Пластина 4 установлена в излучателе таким образом, чтобы гребни 5, 6 находились в средней части волновода 1 и рупора 3 с апертурой АхВ (фиг.2).

Предлагаемый излучатель работает следующим образом. Электромагнитная волна поступает в излучатель (в режиме передачи) через окно в пластине 2 (фиг. 1) по фидеру, образованному полоском 8 и экраном 6 (фиг.2). Она распространяется в виде Т-волны и в месте пересечения возбудителем зазора 7 возбуждает Н-образный волновод 1, по которому волна распространяется в сторону рупора 3 с криволинейными гребнями 5, 6 (фиг.3) и излучается из его апертуры в свободное пространство. Отрезок полосковой линии с проводником 9 (фиг. 4) образует разомкнутый шлейф 11 (фиг.5) длиной l₂ = = λ_п/4, где λ_п - длина волны в полосковой линии. Этот шлейф подключен последовательно относительно нагрузки R в виде волновода 1 с рупором 3 и вместе с короткозамкнутым шлейфом 12 (отрезок волновода от места возбуждения до пластины 2) длиной l₁ = λ_в/4, где λ_в - длина волны в волноводе, включенным параллельно относительно нагрузки R, образует симметрирующе-согласующий трансформатор. Такой трансформатор обеспечивает широкополосное согласование реактивностей.

Экспериментально исследован предложенный волноводно-рупорный излучатель для частот вблизи 5,5 ГГц. Длина рупора 3 составляет С = 90 мм, апертура АхВ = 93х70 мм. Волновод 1 имеет длину L = 100 мм и поперечное сечение 23х10 мм. Материал пластины 4-полифенилоксид (арилокс марки ФЛАН-2,8) толщиной W = 2 мм. Толщина металлических гребней 5,6 (толщина металлизации пластины 4) составляет V = 0,035 мм. Зазор 7 между гребнями 5, 6 в волноводе 1 составляет t = 0,5 мм, размеры шлейфов возбудителя l₁ = 17 мм и l₂ = 7 мм.

Излучатель имеет КСВН и диаграммы направленности в двух главных плоскостях (измерены до уровня минус 20 дБ), практически не отличающиеся от тех, которые имеет излучатель-прототип с латунными гребнями и гладкими стенками рупора (излучатель-прототип имел те же размеры А, В, С и L, что и предлагаемый излучатель, а волновод имел поперечное сечение 28,5х12,6 мм).

По сравнению с прототипом достигнут следующий технико-экономический эффект: масса предлагаемого излучателя уменьшена на 34% (масса излучателя с обычными гребнями составляла 670 г, масса излучателя с печатными гребнями - 420 г); поперечные размеры волноводной части излучателя снижены на 40% за счет замены ортогонального ввода на соосный; точность выполнения гребней, достигаемая при использовании технологии печатных плат на органических диэлектриках, составляет 0,1 мм. Это не менее, чем в 2 раза лучше по сравнению с механическими изготовлением и сборкой.

Использование: в антенной технике как самостоятельная антенна, так и в составе более сложных антенн. Сущность изобретения: волноводно - рупорный излучатель содержит отрезок короткозамкнутого металлической пластиной волновода, в E-плоскости которого, посередине, размещены два продольных металлических гребня с плавно изменяющимся зазором между ними, возбудитель и отверстие для фидера. Металлические гребни выполнены в виде металлизации одной из сторон диэлектрической пластины, установленной в E-плоскости излучателя, по другой стороне которой выполнен в виде металлизации изогнутый проводник, пересекающий в проекции зазор между металлическими гребнями на расстоянии λ_в/4 металлической пластины, где λ_в - максимальная рабочая длина от длины волны в волноводе, и образующий в этом месте возбудитель, не имеющий гальванического контакта с металлическими гребнями, причем отверстие для фидера расположено в металлической пластине, а фидер - в виде несимметричной полосковой линии, экраном которой является первый из металлических гребней, а полоском - часть изогнутого проводника, расположенная между отверстием для фидера и возбудителем, при этом остальная часть изогнутого проводника, между его концом и возбудителем, вместе с вторым металлическим гребнем образуют разомкнутый отрезок несимметричной полосковой линии длиной λ_п/4 , где λ_п - максимальная рабочая длина волны в полосковой линии. Изобретение обеспечивает уменьшение массы, поперечных размеров и упрощение технологии изготовления излучателя. 5 ил.

ВОЛНОВОДНО-РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ, содержащий отрезок короткозамкнутого металлической пластиной волновода, в Е-плоскости которого, посередине, размещены два продольных металлических гребня с плавно изменяющимся зазором между ними, возбудитель и отверстие для фидера, отличающийся тем, что, с целью уменьшения его массы, поперечных размеров и упрощения технологии изготовления, металлические гребни выполнены в виде металлизации одной из сторон диэлектрической пластины, установленной в Е-плоскости излучателя, на другой стороне которой металлизацией выполнен возбудитель в виде изогнутого проводника, пересекающего в проекции зазор между металлиескими гребнями на расстоянии λ_в / 4 от металлической пластины, где λ_в - максимальная рабочая длина волны в волноводе, причем отверстие для фидера расположено в металлической пластине, а фидер выполнен в виде несимметричной полосковой линии, экраном которой является один из металлических гребней, а полоском - часть изогнутого проводника, расположенная между отверстием для фидера и возбудителем, при этом остальная часть изогнутого проводника, между его концом и возбудителем, вместе с другим металлическим гребнем образует разомкнутый отрезок несимметричной полосковой линии длиной λ_п / 4 , где λ_п - максимальная рабочая длина волны в полосковой линии.