АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ОСЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в различных радиосистемах, в частности в системах приема программ спутникового телевидения.

Из большого количества разнообразных антенн СВЧ в системах приема спутникового телевидения наиболее широкое распространение получили параболические антенны. Это обусловлено рядом их положительных качеств: высокий коэффициент использования поверхности (КИП); отсутствие принципиальных ограничений на достижимую величину коэффициента усиления (КУ); возможность работы на линейной и/или круговой поляризации; высокий коэффициент полезного действия. Однако, из-за того, что территория нашей страны не входит в зоны обслуживания спутников Западной Европы, США и Японии, для уверенного приема телепрограмм необходим высокий КУ приемной антенны (порядка 43-48 дб). Параболические антенны с таким КУ имеют большие габариты и вес (диаметр антенны, пригодной для применения на широте Москвы составляет (2,0-3,0) м при весе в несколько десятков кг). Таким образом, большие габариты, вес и высокая парусность спутниковых параболических антенн делает их недоступными для большинства граждан нашей страны, так как их размещение на крышах и балконах жилых домов затруднительно, а использование в квартирах граждан невозможно.

Частично устранить указанные недостатки позволяют плоские антенны для приема ТВ-сигналов с ИСЗ. Эти антенны как правило представляют собой плоские полосковые антенные решетки (ППАР) различных типов, в которых в качестве излучателей используются полосковые вибраторы, двумерные полосковые излучатели различной формы, зигзагообразные, спиральные элементы, излучающие щели и т.п., изготавливаемые с помощью печатной технологии. ППАР характеризуются уменьшенными по сравнению с параболическими антеннами габаритами и весом, посты в изготовлении, однако имеют следующий серьезный недостаток: из-за больших потерь в питающих полосковых линиях с их помощью не удается получить необходимую для уверенного приема ТВ-программ на всей территории нашей страны величину КУ (в известных на настоящее время ППАР величина КУ не превышает 35-37 дб).

Предлагаемую антенную решетку осевого излучения можно отнести к классу объемных антенн, которые не получили пока широкого распространения в системах спутникового ТВ. Такие антенны представляют собой антенную решетку (АР), элементами которой являются антенны бегущей волны (АБВ). Возбуждение АБВ может осуществляться различными способами, в том числе с помощью возбудителя апертурного типа: рупора, линзы или зеркала.

Достоинствами объемных антенн являются возможность выбора их конфигурации с учетом ограничений на габаритные размеры (продольный и поперечный), а также возможность модификации формы диаграммы направленности (ДН) путем изменения параметров отдельных АБВ, входящих в АР, и их расположения в апертуре возбудителя апертурного типа.

Недостатками известных объемных антенн являются:
- недостаточно высоких апертурный КИП возбудителя апертурного типа;
- значительный продольный размер возбудителя апертурного типа при использовании в качестве возбудителя рупора оптимальных размеров;
- высокий уровень кроссполяризационной составляющей в диаграмме направленности всей АР при использовании в качестве возбудителя апертурного типа одномодового конического или пирамидального рупора с гладкими стенками;
- значительные поляризационные потери по всей АР из-за несогласованности поляризационных свойств возбудителя и отдельных АБВ. Указанные потери определяются уровнем кросполяризационной составляющей в диаграмме направленности возбудителя апертурного типа и/или АБВ.

Отмеченные недостатки снижают КУ объемной антенны при данных габаритах, либо приводят к необходимости увеличения ее габаритных размеров с целью обеспечения требуемого КУ.

Наиболее близкой к предложенному устройству является объемная антенна в виде АР осевого излучения, которая выбирается в качестве прототипа, содержащая возбудитель апертурного типа, выполненный в виде рупора или линзы, и систему АБВ, выполненную в виде диэлектрических стержней, расположенную перпендикулярно апертуре возбудителя апертурного типа.

Достоинства и недостатки прототипа совпадают с отмеченными выше достоинствами и недостатками аналогов.

Таким образом, описанные выше антенны-аналоги и прототип не обеспечивают достижения высокого КУ и низкого уровня кроссполяризации при заданных габаритных размерах. Предлагаемая АР осевого излучения лишена указанных недостатков аналогов и прототипа.

Целью изобретения является повышение КУ, снижение уровня кроссполяризации и уменьшение габаритных размеров.

Указанная цель достигается тем, что в АР осевого излучения, содержащий возбудитель апертурного типа и систему АБВ, размещенную ортогонально апертуре возбудителя апертурного типа, длины отдельных АБВ "L" и общее число АБВ "N" выбраны из следующих соотношений, полученных эмпирически: L≅(0,035-0,052)G λ³ /S, (1) N≅[(4-8)S/λ² ], (2) где G - КУ АР осевого излучения,
λ - центральная длина волны рабочего диапазона,
S - площадь апертуры возбудителя,
[...] - целая часть выражения.

Продольный размер возбудителя "l" выбран из соотношения l≅S^0,5. (3) Такой выбор продольного размера возбудителя позволяет существенно уменьшить его габариты по сравнению с возбудителем антенны-прототипа.

Поляризационные свойства возбудителя выбраны совпадающими с поляризационными свойствами АБВ таким образом, чтобы при работе предлагаемой антенны на линейной (круговой) поляризации как возбудитель апертурного типа, так и АБВ обеспечивали работу на поляризации указанного типа без применения дополнительных поляризационных фильтров с низким уровнем кроссполяризации в поле излучения.

В частности, уменьшение продольного размера возбудителя и согласование поляризационных свойств возбудителя и системы АБВ может быть достигнуто путем использования в качестве возбудителя короткого расфазированного рупора с корректирующей линзой. Более низкий уровень кроссполяризации поля в апертуре возбудителя заявляемой АР осевого излучения по сравнению с возбудителем-прототипа и высокий апертурный КИП (не ниже 0,9), обеспечивается, например, посредством совместного использования конического ребристого рупора и диэлектрической менисковой линзы.

На фиг.1 изображено предложенное устройство, общий вид; на фиг.2, 3, 4 - примеры выполнения соответственно возбудителя апертурного типа (фиг.2) и АБВ (фиг.3,4).

Предлагаемая антенная решетка осевого излучения содержит возбудитель 1 и систему АБВ 2.

Устройство работает следующим образом.

Возбудитель 1 формирует в своей апертуре распределение поля с КИП, близким к единице, и низким уровнем кроссполяризационной составляющей. При этом поляризация поля в апертуре возбудителя совпадает с поляризацией набора бегущих волн, поддерживаемого каждой АБВ 2. Указанное согласование поляризационных свойств возбудителя и АБВ, а также выбор числа, размеров АБВ и длины возбудителя в соответствии с соотношениями (1)-(3) обеспечивают эффективное возбуждение решетки АБВ и отсутствие поляризационных потерь без увеличения продольного размера возбудителя.

Таким образом, совокупность упомянутых конструктивных признаков заявленного устройства обеспечивает повышение КУ АР осевого излучения и уменьшение уровня кроссполяризации при уменьшении габаритов.

На фиг. 2 изображен пример выполнения возбудителя апертурного типа 1 в виде расфазированного конического ребристого рупора 3, возбуждаемого круглым волноводом 4. Перед апертурой ребристого рупора расположена диэлектрическая менисковая линза 5. Глубины канавок гофра 6 на стенках рупора выбраны из соотношений
h₁≅λ_min./2,
h_n≅λ_max./4, где h_i - глубина i-ой канавки, i=1,2,...,n; λ_min., λ_max. - границы рабочего диапазона длин волн. Канавки нумеруются от горловины рупора к его апертуре. Глубины канавок по мере удаления от горловины рупора монотонно убывают. Входная поверхность диэлектрической менисковой линзы выполнена сферической радиуса f, а профиль выходной поверхности задается соотношением
ρ(ϕ) = f_i где f₁ - фокусное расстояние линзы,
n - коэффициент преломления диэлектрика,
ϕ - текущее значение угла. Длина возбудителя составляет l≅S^0,5.

Описанная конструкция апертурного возбудителя обеспечивает низкий уровень кроссполяризации поля в его апертуре при работе как на линейной, так и на круговой поляризации, и высокий апертурный КИП в плоскости выходной поверхности диэлектрической менисковой линзы, составляющий в данном случае 0,93.

На фиг.3 приведен пример выполнения системы АБВ в виде набора АР тонких поперечных полосковых вибраторов, расположенных на ряде диэлектрических пластин в узлах прямоугольной сетки. Параметры АБВ, их число и взаимное расположение выбираются из соотношений (1)-(2) и
2а≅0,5 λ_эф,
t < 0,12а,
b≅0,25 λ_эф,
d₁≅0,5 λ_эф,
d₂≅0,5 λ_эф,
λ_эф= λ /[1+А( ε_r -1)^0,5],
0 < А < 1, где 2а - длина плеча вибратора,
t - ширина вибратора,
b - расстояние между вибраторами в АБВ,
d₁ - расстояние между соседними АБВ, расположенными на одной плоскости,
d₂ - расстояние между диэлектрическими пластинами,
ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрических пластин.

Ограничение сверху на величину расстояния между соседними АБВ "d₁" и "d₂" следует из известных соотношений, вытекающих из условия отсутствия побочных главных максимумов в ДН плоской АР, элементами которой являются АБВ.

Минимальное расстояние между соседними АБВ определяется конкретным выполнением АБВ (габаритными размерами и электрическими характеристиками образующих их излучателей).

Расположение АБВ в поперечном сечении предлагаемой АР может быть произвольным с учетом указанных выше ограничений на величину расстояния между соседними АБВ. В частности, возможно расположение АБВ в узлах прямоугольной (см. фиг. 3) или гексагональной сетки, по радиусам или в виде неэквидистантной АР со случайным расположением элементов. Выбор того или иного закона расположения АБВ в поперечном сечении АР определяется конструктивными и технологическими соображениями, а также дополнительными требованиями к параметрам ДН АР (уровню боковых лепестков, закону их спадания, ширине главного лепестка при заданных габаритах). Выбор закона расположения АБВ в последнем случае осуществляется на основе известных расчетных соотношений.

В целях улучшения согласования с внешним пространством торцы диэлектрических пластин, параллельные плоскости апертуры, могут иметь скосы длиной порядка λ.

Алгоритм реализации предложенной АР осевого излучения может быть сформулирован следующим образом:
1) задается требуемый КУ АР "G" и рабочая длина волны " λ ";
2) задается площадь поперечного сечения АР "S";
3) по формуле (3) определяется максимальная длина возбудителя апертурного типа;
4) по формулам (1) и (2) определяются общее число АБВ "N" и длина каждой АБВ "L";
5) вид и конкретное выполнение возбудителя апертурного типа и системы АБВ и каждой АБВ определяются требованиями к поляризации поля излучения, конструктивными требованиями и требованиями к параметрам ДН.

Для примера укажем, что предложенная АР осевого излучения предназначенная для работы в диапазоне частот (10.9-12.5) Ггц с КУ, равным 46 Дб, на линейной поляризации и выполненная согласно фиг.2 и фиг.3, имеет цилиндрическую форму со следующими габаритами: диаметр порядка 25 см, длина (80-90) см, что значительно меньше габаритов параболической антенны с соответствующей величиной КУ.

Описанная выше система АБВ (фиг.1) обеспечивает работу АР на линейной поляризации поля. Достижение поставленной цели - увеличение КУ, снижение уровня кроссполяризации при заданных габаритах АР осевого излучения, а также достижение других заданных электрических характеристик, может быть обеспечено и при других способах выполнения системы АБВ. Например, при выполнении АБВ в виде линейной АР полосковых или тонких цилиндрических вибраторов, в каждой АБВ длины вибраторов могут выполняться модулированными вдоль продольной оси АБВ по определенному закону, либо каждая АБВ может быть выполнена из вибраторов переменной длины и/или ширины, размещенных на разных расстояниях друг от друга. Кроме того, в качестве элементов АВБ могут использоваться вибраторы сложной формы или другие излучающие элементы (например, щели в металлическом экране). Использование чередующихся АБВ, настроенных на разные частоты позволяет расширить рабочую полосу частот или обеспечить многочастотный режим работы АР осевого излучения. Выполнение АБВ различной длины "L" и размещение соседних АБВ с различным сдвигом друг относительно друга и относительно апертуры возбуждающего рупора позволяет отказаться от использования диэлектрической менисковой линзы.

При работе на круговой поляризации поля могут быть использованы, в частности, АБВ из тонких крестообразных вибраторов, АБВ в виде объемной спирали, диэлектрического стержня, ребристо-стержневой антенны (фиг.4) и других.

Использование в качестве возбудителя рупора и, в частности, описанного выше ребристого рупора с высоким апертурным КИП и низким уровнем кроссполяризации поля, согласование поляризационных свойств возбудителя и АБВ, выбор размеров возбудителя, длины и числа АБВ согласно формуле изобретения, позволяет обеспечить повышенную величину коэффициента усиления при работе предложенной антенны как на линейной, так и на круговой поляризации.

Дополнительными преимуществами предложенной антенны являются:
- возможность оперативного перехода от линейной поляризации к круговой путем замены лишь системы АБВ, обеспечивающего работу как на линейной, так и на круговой поляризации;
- возможность модульного построения антенны при обеспечении работы с различными требуемыми значениями ККУ путем изменения параметров (например, длины) лишь системы АБВ и использования одинаковых по конструкции возбудителей.

Использование: антенны для систем непосредственного приема ТВ со спутников. Сущность изобретения: антенная система состоит из возбудителя апертурного типа (расфазированного рупора) и антенны бегущей волны (АБВ), размещенных перпендикулярно его апертуре. Возбудитель выполнен с низким уровнем кроссполяризации и апертурным коэффициентом использования поверхности (КИП) не менее 0,9. АБВ могут быть выполнены в виде линейных решеток печатных вибраторов. Поляризационные свойства возбудителя совпадают с поляризационными свойствами АБВ. Согласно расчету антенная система имеет коэффициент усиления 46 дб на частоте 12 ГГц. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ОСЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащая возбудитель апертурного типа и антенны бегущей волны, расположенные ортогонально его апертуре в ее объеме с поперечным сечением S, отличающаяся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления, снижения уровня кроссполяризации и уменьшения габаритов, длина l возбудителя апертурного типа, число N антенн бегущей волны и их длины L выбраны из соотношений
l ≅ 0,5S;
L≅ (0,035- 0,052) Gλ³/S ;
N≅ (4-8) S/λ²,
где G - требуемый коэффициент усиления;
λ - центральная длина волны рабочего диапазона. 2. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения апертурного КИП не менее 0,9 и низкого уровня кроссполяризации при работе на линейной и круговой поляризации, возбудитель апертурного типа выполнен в виде гофрированного конического рупора, в раскрыве которого установлена диэлектрическая менисковая линза, при этом глубины h_i и h_n канавок гофра где i = 1,2,. ..,n, считая от горловины гофрированного конического рупора, выбраны из соотношений
h_i≅ λ_min/2;
h_n≅ λ_max/4,
где λ_min, λ_max - минимальная и максимальная длины волн рабочего диапазона,
входная поверхность диэлектрической менисковой линзы выполнена сферической, а профиль ее выходной поверхности в полярных координатах описан соотношением

где f_i - фокусное расстояние диэлектрической менисковой линзы;
n - коэффициент преломления диэлектрика диэлектрической менисковой линзы;
v - текущий угол. 3. Решетка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения высокого коэффициента усиления при работе на линейной поляризации, каждая антенна бегущей волны выполнена в виде линейной антенной решетки, состоящей из печатных вибраторов, расположенных на диэлектрической плате, при этом диэлектрические платы размещены в поперечном сечении S в узлах прямоугольной сетки, причем длины 2a печатных вибраторов, их ширина t, расстояние b между ними и размеры d₁ и d₂ ячейки прямоугольной сетки выбраны из соотношений
2a ≅ 0,5 λ_эф;
t< 0,12a;
b≅ 0,25 λ_эф;
d₁≅ 0,5 λ_эф;
d₂≅ 0,5 λ_эф;
λ_эф= λ/[1+A(Er-1)]^0,5;
0 < A < 1,
где E_r - диэлектрическая проницаемость диэлектрических плат.