ПЛОСКАЯ ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 1994 года по МПК H01Q13/10 

Изобретение относится к радиотехнике, технике СВЧ, в частности к антенно-фидерным устройствам.

Известны щелевые антенные решетки в печатном исполнении. В печатном исполнении выполняются не только излучающие элементы, но и линии запитки и схема формирования сигналов. Эти антенны технологичны, имеют малую массу и толщину, а также простую конструкцию.

Недостаток печатных щелевых антенн, ограничивающий их применение в антенных решетках, - относительно большие потери. Если линейный размер апертуры составляет D = 10. ..15 λ, а запитка осуществляется полосковой линией, не удается в настоящее время разработать антенную решетку с КПД > 0,5-0,6.

Известны волноводно-щелевые антенные решетки на полых металлических волноводах, на которых выполнены как излучающие элементы, так и элементы схемы запитки.

Однако такие конструкции громоздки, тяжелы, не отвечают современным требованиям миниатюризации, не позволяют применить групповые методы изготовления.

Известны также волноводно-щелевые антенные решетки, выполненные на базе полоскового волновода, широкая стенка которого представляет собой периодическую последовательность узких (шириной W₁) и широких (шириной W₂) отрезков полосковых линий. В полосковых волноводах при симметричной запитке формируется волновой процесс, близкий к волне типа Н10. Потери в полосковых волноводах в 2...3 раза меньше, чем в несимметричных полосковых линиях.

На базе полоскового волновода могут быть выполнены резонансные и нерезонансные волноводно-щелевые линейные излучатели. Однако они имеют ограниченный коэффициент усиления, так как с увеличением длины излучателя начинают сказываться потери в полосковом волноводе ( α_пот. = =0,03 дБ/см) и появляются значительные фазовые ошибки, падает коэффициент полезного действия.

Наиболее близким по технической сущности является волноводно-щелевая антенная решетка, содержащая антенное полотно, выполненное на основе волноводно-щелевых излучателей. Волноводно-щелевые излучатели образуются в данной конструкции в виде антенного полотна. Антенное полотно с волноводно-щелевыми излучателями образуется в результате сборки платы, изготовленной из листа металла с остальной конструкцией, в которой образованы две узкие и одна широкая стенка волноводов излучателей. В плате выполнены излучающие щели. Достоинством прототипа являются малые потери.

Однако изготовление таких волноводно-щелевых излучателей не технологично, трудоемко, не обеспечивает гарантированной воспроизводимости характеристик антенн, не позволяет контролировать внутренний шов между излучателями. Пайка чаще всего воспроизводится в соляных ваннах, наличие даже незначительного непропаянного участка между металлической платой с щелями и стенками волноводов делает такую антенну неработоспособной. Конструкция ненадежна.

Цель изобретения - упрощение конструкции, уменьшение габаритов и массы, повышение надежности и воспроизводимости параметров при обеспечении малых потерь в широкой полосе частот.

Это достигается тем, что излучающие элементы выполнены в печатном исполнении на базе полоскового волновода, а блок формирования сигнала состоит из запитывающих волноводов и волноводных распределителей мощности, выполненных в виде П-образных пазов и размещенных на обратной металлизированной стороне платы. При этом малые потери в антенной решетке обеспечиваются небольшими потерями в полосковых волноводах ( α_пв= 0,02 - 0,03 дБ/см), что в 2. . .3 раза меньше, чем в несимметричных полосковых линиях, и еще меньшими потерями в полых волноводах блока формирования сигнала ( α_в = 0,001-0,005 дБ/см).

Отсутствие отдельных элементов в плоской щелевой антенной решетке, в которой все волноводы и волноводные распределители мощности образуют единый тракт, исключает паразитное межфланцевое соединение, уменьшает потери и нестабильность параметров антенны.

Высокая точность, которую обеспечивает печатная технология изготовления платы и прогрессивная технология изготовления блока формирования сигнала (например, литьем под давлением или штамповкой), механизация и автоматизация сборки антенны, состоящей всего из двух деталей, упрощает конструкцию, повышает надежность и позволяет получать хорошую повторяемость параметров.

На чертеже изображена плоская щелевая антенная решетка.

Она содержит ряд волноводно-щелевых излучателей на полосковых волноводах 1, выполненных на диэлектрической плате 2, широкие стенки которых расположены в двух параллельных плоскостях, продольные оси параллельны. Одна широкая стенка полоскового волновода 1 образована металлическим экраном 3 печатной платы 2, а противоположная - полоском с двусторонней гребенкой шлейфов на краях размерами W₁ и W_2, (W₁ - ширина полоска, W₂ - ширина полоска с гребенчатыми шлейфами). Размером узкой стенки полоскового волновода 1 является толщина h диэлектрической платы 2. Расстояние между продольными осями α выбрано из соотношения
W₂ + 0,05 λ_ов < d < λ_ов, где λ_ов - длина волны в свободном пространстве на верхней частоте рабочего диапазона.

В одной широкой стенке каждого волновода 1 выполнены излучающие щели 4, а в противоположной, образованной металлическим экраном 3 платы 2, - щели связи 5, которые перпендикулярны продольным осям полосковых волноводов 1 и имеют длину l
l = (0,8 - 1,0)W₁.

Щели связи 5 соединены с блоком формирования сигнала, состоящим из запитывающих волноводов 6, 7, оси которых параллельны щелям связи 5, и плечей Н-тройника 8 с выходным каналом 9 волноводного распределителя мощности, выполненных в виде П-образных пазов, размещенных на обратной стороне металлического экрана 3, который образует широкую стенку блока формирования сигнала.

Плоская щелевая антенная решетка работает следующим образом.

Сигналы с каждого щелевого излучателя, выполненного на полосковом волноводе 1, представляющего резонансную либо нерезонансную волноводно-щелевую антенну, поступают через щели связи 5 в запитывающие волноводы 6,7, являющиеся волноводами симметричных плеч Н-тройника 8. В Н-тройнике 8 происходит синфазное сложение сигналов и в плечо 9 Н-тройника 8 поступает суммарный сигнал. Количество Н-тройников 8 определяется размерами антенного полотна (коэффициентом усиления антенны) и необходимой полосой пропускания.

В волноводно-щелевых излучателях на полосковых волноводах 1 при симметричной запитке формируется волновой процесс, близкий к волне типа Н10.

Волноводно-щелевой излучатель на полосковом волноводе 1 имеет топологию щелей и электрические характеристики, близкие к топологии и характеристикам волноводно-щелевого излучателя на полом металлическом волноводе с размерами широкой стенки а ≈ W₁, узкой стенки b = h и заполненного диэлектриком, из которого выполнена плата 2. Расстояние между продольными осями соседних полосковых волноводов 1 выбирается в пределах
W₂ + 0,05 λ_ов< d < λ_ов.

Для исключения появления вторичных максимумов (дифракционных лепестков) расстояние d выбирается d< λ_ов, а для уменьшения взаимосвязи между смежными излучателями на полосковых волноводах 1 расстояние между продольными осями соседних излучателей 1 должно быть d>W₂ +0,05 λ_ов.

Использование: спутниковое телевидение. Сущность изобретения: плоская щелевая антенная решетка содержит размещенные на печатной плате параллельно полосковые волноводы. Металлический экран печатной платы образует общую широкую стенку полосковых волноводов, их вторые широкие стенки образованы полосками с гребенчатыми шлейфами по краям. В полосках выполнены излучающие щели, а в металлическом экране - щели связи, которые соединены с блоком формирования сигналов, состоящим из запитывающих волноводов и волноводных распределителей мощности, размещенных на обратной стороне металлического экрана. 1 ил.

ПЛОСКАЯ ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА, содержащая ряд волноводов, широкие стенки которых расположены в одной плоскости, а продольные оси параллельны, при этом в одной широкой стенке каждого волновода выполнены излучающие щели, а в противоположной - щели связи, соединенные с блоком формирования сигнала, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции, уменьшения габаритов и веса, повышения надежности и воспроизводимости параметров, волноводы выполнены в виде полосковых волноводов, состоящих из диэлектрической платы, металлический экран которой является общей широкой стенкой полосковых волноводов, а другие их широкие стенки образованы полоском с гребенчатыми шлейфами на краях, при этом расстояние d между продольными осями полосковых волноводов выбрано из соотношения
w₂+ 0,05 λ_ов < d < λ_ов ,
где λ_ов - длина волны в свободном пространстве на верхней частоте рабочего диапазона;
w₁ - размер широкой стенки полоскового волновода (полоска шириной w₂ с гребенчатыми шлейфами),
а блок формирования сигнала состоит из запитывающих волноводов и волноводных распределителей мощности, размещенных на обратной стороне металлического экрана, который образует их широкую стенку, причем щели связи размещены в металлическом экране параллельно осям запитывающих волноводов, которые перпендикулярны к осям полосковых волноводов, и имеют длину l = (0,8 - 1,0)w₁.