РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК H01Q13/02 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве широкополосного рупорного излучателя с низким уровнем бокового излучения.

Известны рупорные излучатели различного сечения: круглого, прямоугольного (см. Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот, т.1, М.: Сов. радио, 1965, с. 86).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является рупорная антенна по авт.св. 1190438. Однако, это решение является недостаточно эффективным, так как наличие обрамления на боковых стенках рупора и отклонение его плоскости от плоскости боковой стенки на 45-90^о не приводит к оптимальному амплитудно-фазовому распределению на раскрытие излучателя, которое требуется для рупорных излучателей различного назначения, имеющих малое боковое излучение и оптимальное согласование.

Для уменьшения уровня бокового излучения и улучшения согласования в полосе частот излучаемого сигнала в предлагаемой конструкции боковые стенки рупорного излучателя выполнены в виде поверхностей с трапецеидальными отверстиями и с треугольным обрамлением, причем полоса частот и размеры обрамления связаны соотношением
Δω = ω_ср, где ω_ср - средняя частота полосы частот;
h - высота треугольника обрамления;
l - длина боковой стороны треугольника.

Характерными размерами трапецеидальных отверстий являются размер между основаниями трапеций-отверстий равный λ_ср/2и размер площади отверстий, который увеличивается пропорционально углу между боковыми сторонами трапеции. Отверстия одно от другого отделены полосами металла шириной равной λ_ср/8 . Боковая стенка с отверстиями изогнута на угол 35^о, а обрамление - еще на дополнительный угол 15^о.

В предлагаемой конструкции рупорного излучателя на раскрыве рупора формируется оптимальное амплитудно-фазочастотное распределение поля излучения, что резко уменьшает боковое излучение и обеспечивает оптимальное согласование рупора с волноводом и свободным пространством.

На фиг. 1 показана конструкция боковой стенки с отверстиями и обрамлением; на фиг. 2 - представлены эпюры диаграмм излучения, на которых показаны относительные уровни боковых лепестков (бокового излучения) предлагаемой конструкции, рупорного излучателя прототипа и классического рупорного излучателя.

Рупорный излучатель (см. фиг. 1) состоит из боковых стенок, каждая из которых или противоположные попарно имеют треугольное обрамление, а в каждой из обрамленных боковых стенок прорезана система отверстий с определенным законом изменения суммарного сечения отверстий при движении от входа рупора к выходу, причем часть плоскости с отверстиями имеет оптимальный угол наклона к плоскости раскрыва рупора, а плоскость обрамления имеет оптимальный угол наклона к плоскости стенки рупора с отверстиями.

Обрамление боковой стенки выполнено в виде треугольной последовательности с высотой треугольника h = , где λ_ср - длина волны сигнала на средней частоте диапазона. Отверстия боковой плоскости имеют форму трапеции, а их суммарное сечение площади по отношению к сечению площади всей боковой поверхности изменяется при движении по оси х от волновода к обрамлению по закону, адекватному закону изменения волнового сопротивления ρ_вк=ρ_вл˙K_x , где ρ_вк - волновое сопротивление вакуума; ρ_вл - волновое сопротивление волновода на входе рупора, K_x= K_xi= , X_i - текущее значение координаты х; k_xi - значение, равное отношению площадей отверстий последующего к предыдущему; S_i - площадь отверстия i-го по счету от основания рупора; S_i+1 - площадь отверстия i+1 по счету от основания рупора. Плоскость обрамления имеет угол наклона к плоскости боковой стенки равной 15^о, а плоскость боковой стенки с отверстиями имеет угол наклона к боковой стенке волновода равный 35^о.

В предлагаемом устройстве обрамление, выполненное в виде треугольной последовательности, позволяет обеспечить пространственное фазовое согласование касательных компонент поля излучения на боковой стенке ТЕ₀₁ с полем излучения на раскрыве рупора в полосе частот Δω = ω_ср и уменьшать уровень бокового излучения. Более полное согласование по фазе и амплитудному распределению в полосе частот реализуются тем, что в конструкцию боковой стенки введены отверстия трапецеидальной формы (см. фиг. 1), суммарный размер сечений увеличивается от входа рупора к обрамлению и приводит к тому, что сопротивление поверхности приближается к бесконечности, а также тем, что выбраны указанные выше углы наклона.

Рупорный излучатель работает следующим образом.

Электромагнитные колебания волны ТЕ распространяются от входа рупора (выхода волновода, состыкованного с рупором) до выхода рупора (до его расширения), испытывая амплитудно-фазовые изменения. Конечным результатом этих изменений должно быть наличие синфазности волны на всем раскрыве рупора и определенной функции амплитудного распределения. Нагрузкой рупора является волновое сопротивление свободного пространства, поэтому возникает необходимость более строгого согласования выхода рупора с его входом, волновое сопротивление которого равно волновому сопротивлению волновода. Используемая на практике конструкция рупорного излучателя обладает высоким уровнем бокового излучения равного - (10-17) дБ. Уменьшение бокового излучения в предлагаемой конструкции рупорного излучателя достигается введением определенной системы λ_ср/2 отверстий в боковых стенках рупора, наличие которой приводит к изменению волнового сопротивления рупора от ρ_влволновода до ρ_вк вакуума (или воздушной среды), а также введением треугольного обрамления с высотой равной h = и характерным размером боковой стороны, причем оптимизация амплитудно-частотной характеристики рупорного излучателя достигается при оптимальных углах наклона боковых стенок с отверстиями и обрамления. Система отверстий показана на фиг. 1. Экспериментально полученные уровни бокового излучения предлагаемой конструкции рупорного излучателя представлены на фиг. 2 и численно равны менее - 27 дБ. На фиг. 2 показан также уровень бокового излучения прототипа, численно равный - 21,5 дБ, и рупора классической формы.

Использование: антенная техника, а именно - светлые широкополосные антенны с низким уровнем бокового излучения. Сущность изобретения: в боковых стенках рупорного излучателя, кромка которого имеет зубчатую структуру, выполнены трапецеидальные отверстия. Размеры отверстий увеличиваются вдоль оси в соответствии с изменением его волнового сопротивления. Размеры отверстий, угол раскрыва рупора и размеры зубчатой кромки связаны определенными соотношениями. Достигнуты улучшение соглосования и уменьшение уровня бокового излучения в рабочем диапозоне частот. 2 ил.

РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ, содержащий рупор, кромка которого выполнена в виде зубчатой структуры с зубцом в форме треугольника, отогнутой наружу от образующей рупора, отличающийся тем, что размеры треугольника выбраны из соотношения
Δω = ω_ср ;
где h - высота треугольника;
l - длина его боковой стороны;
Δω - рабочая полоса частот;
ω_cp - средняя частота,
а угол отгиба кромки от образующей рупора равен 15^o, при этом в боковых стенках рупора вдоль его образующих выполнены отверстия в форме трапеций высотой λ_cp / 2, поперечные размеры которых увеличиваются вдоль оси рупора от вершины к раскрыву в соответствии с соотношением
K_x=K_xi=S_i+1 / S_i,
ρ_вк = ρ_вл˙K_x
где x_i - текущее значение координаты x, i = 1,2 ... ;
S_i, s_i+1 - суммарные площади отверстий в форме трапеций в сечениях x_i и x_i+1 соответственно;
ρ_вк - волновое сопротивление вакуума;
ρ_вл - волновое сопротивление в горловине рупора,
причем ширина перемычек между отверстиями равна λ_cp / 8, а угол раскрыва рупора равен 70^o.