ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВОЙ ВОЗБУДИТЕЛЬ АНТЕННЫ Российский патент 1995 года по МПК H01Q19/15 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в антенных системах, предназначенных для передачи и приема сигналов в спутниковых системах связи и вещания.

Известен волноводно-щелевой излучатель в виде прямоугольного волновода со щелью в широкой стенке [1] ориентированной под углом к ее продольной оси.

Однако, этот излучатель имеет неравномерное распределение поля вдоль щели и низкий КПД.

Известен также волноводно-щелевой излучатель, который может быть использован для возбуждения антенны, выбранный в качестве прототипа, содержащий волноводный тройник, на боковых стенках которого, обращенных одна к другой, выполнены системы излучателей, расположенные между парой параллельных металлических пластин, прикрепленных к внешним поверхностям боковых стенок выходных плеч [2]
Однако данный излучатель также не позволяет реализовать равномерное амплитудно-фазовое распределение поля.

Цель изобретения повышение равномерности амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве возбудителя.

Сущность изобретения заключается в том, что в волноводно-щелевой возбудитель антенны, содержащий отрезок прямоугольного волновода, на первом конце которого установлена согласующая нагрузка, и первую пару параллельных токопроводящих пластин, расположенных перпендикулярно к внешней поверхности первой стенки отрезка прямоугольного волновода, и соединенных с ней, вдоль которой выполнена первая система излучателей, расположенная между параллельными токопроводящими пластинами первой пары, введены вторая пара параллельных токопроводящих пластин, расположенных перпендикулярно к внешней поверхности, противоположной первой стенке, являющейся широкой стенкой отрезка прямоугольного волновода и соединенных с ней, вдоль которой выполнена вторая система излучателей, идентичная первой и расположенная между параллельными токопроводящими пластинами второй пары, при этом первая и вторая системы излучателей смещены относительно продольных осей стенок, на которых они расположены, а их проекции на плоскость, проходящую через продольную ось отрезка прямоугольного волновода и параллельную его широким стенкам, симметричны относительно этой оси, третья пара параллельных токопроводящих или поглощающих пластин, расположенных параллельно широким стенкам отрезка прямоугольного волновода и соединяющие края параллельных токопроводящих пластин первой и второй пар соответственно, четвертая пара токопроводящих пластин, расположенных перпендикулярно параллельным токопроводящим пластинам первой и второй пар соответственно и соединяющие их края и расположенные под углом меньшим 90^о к внешней поверхности стенок отрезка прямоугольного волновода, с которыми соединены первая и вторая пары параллельных токопроводящих пластин соответственно со стороны согласованной нагрузки, при этом края параллельных токопроводящих пластин первой и второй пар соответственно у второго конца отрезка прямоугольного волновода лежат в одной плоскости, перпендикулярной широким стенкам отрезка прямоугольного волновода, при этом расстояние между параллельными токопроводящими пластинами первой и второй пар выбрано из условия h ≅ a/2, где а размер широкой стенки отрезка прямоугольного волновода, а часть поверхности параллельных токопроводящих пластин первой и второй пар, расположенной у второго конца отрезка прямоугольного волновода, выполнена изогнутой в противоположных направлениях соответственно в плоскости, параллельной широким стенкам отрезка прямоугольного волновода.

Каждая система излучателей может быть выполнена из n одинаковых щелей, расположенных вдоль одной оси, ориентированной под углом к продольной оси стенки, на которой она расположена, причем расстояние от щели, ближайшей к концу отрезка, прямоугольного волновода с согласованной нагрузкой до продольной оси стенки больше, чем расстояние от этой оси до щели, ближайшей к противоположному концу отрезка прямоугольного волновода.

По второму варианту в волноводно-щелевом возбудителе антенны, содержащем волноводное Y-соединение, в стенках выходных плеч которого, обращенных одна к другой, выполнены соответственно идентичные первая и вторая системы излучателей, расположенные между двумя параллельными токопроводящими пластинами, расположенными перпендикулярно к внешним поверхностям стенок выходных плеч, на которых выполнены первая и вторая системы излучателей и при этом на концах выходных плеч установлены согласованные нагрузки, волноводное Y-соединение выполнено Е-плоскостным, первая и вторая системы излучателей смещены относительно продольных осей соответствующих стенок, на которых они выполнены, а их проекции на плоскость, проходящую через биссектрису угла между выходными плечами, перпендикулярную параллельным токопроводящим пластинам, симметричны относительно проекции на эту плоскость продольной оси стенок, на которых выполнены первая и вторая системы излучателей соответственно.

По третьему варианту в волноводно-щелевом возбудителе антенны, содержащем волноводное Y-соединение, в стенках выходных плеч которого, обращенных одна к другой, выполнены соответственно идентичные первая и вторая системы излучателей, при этом первая система излучателей расположена между первой парой параллельных токопроводящих пластин, одни края которых расположены перпендикулярно к внешней поверхности соответствующей стенки и соединены с ней, а на концах выходных плеч установлены согласованные нагрузки, волноводное Y-содинение выполнено Е-плоскостным, вторая система излучателей расположена между введенной второй парой параллельных токопроводящих пластин, одни края которых расположены перпендикулярно к внешней поверхности стенки, на которой выполнена вторая система излучателей, а также введена дополнительная пластина, выполненная токопроводящей или поглощающей, расположенная в плоскости, проходящей через биссектрису угла между выходными плечами волноводного Y-соединения и перпендикулярно первой и второй парам параллельных токопроводящих пластин, другие края которых подсоединены к дополнительной пластине, при этом расстояние между параллельными токопроводящими пластинами первой и второй пары соответственно выбрано из условия h≅ a/2, где а размер стенки, на которой выполнены первая и вторая системы, первая и вторая системы излучателей смещены относительно продольных осей стенок, на которых они расположены, а их проекции на плоскость, проходящую через биссектpису угла между выходными плечами перпендикулярно параллельным токопроводящим пластинам, симметричны относительно проекции на эту плоскость продольной оси стенки, на которой выполнены первая и вторая системы излучателей, причем часть поверхности параллельных токопроводящих пластин первой и второй пар, расположенные у концов выходных плеч с согласованными нагрузками, выполнены с изгибом в плоскости дополнительной пластины, при этом края параллельных токопроводящих пластин одной пары лежат в одной плоскости с краями соответствующих пластин второй пары.

Каждая система излучателей для первого и второго вариантов может быть выполнена из одинаковых щелей, расположенных вдоль одной оси, ориентированной под углом к продольной оси стенки, на которой она расположена, причем расстояний от щели, ближайшей к концу выходного плеча с согласованной нагрузкой до продольной оси стенки больше, чем расстояние от этой оси до щели, ближайшей к противоположному концу выходного плеча.

Для всех вариантов каждая система излучателей может быть выполнена из n прямолинейных щелей, продольная ось каждой из которых расположена под углом к продольной оси стенки, на которой она расположена, при этом ближайшие друг к другу концы соседних щелей могут быть соединены между собой сквозной прорезью.

Задачей предлагаемого технического решения является создание устройства, формирующего плоский фазовый фронт с равномерным амплитудным распределением для возбуждения плоской антенны. Все три варианта предлагаемого устройства решают задачу получения требуемого амплитудно-фазового распределения в раскрыве путем излучения СВЧ-энергии из щелевых структур в широких стенках прямоугольного волновода или волноводного тройника в пространство между двумя параллельными токопроводящими пластинами, прикрепленными к широким стенкам возбуждающего волновода или волноводного тройника. Такая конструкция рациональным выбором размеров и размещения щелей позволяет с малыми потерями энергии осуществить эффективное возбуждение плоской антенны.

Вариант с одним расположенным в середине возбудителя прямолинейным прямоугольным волноводом с двумя системами щелей, прорезанных в его широких стенках, обеспечивает хорошую технологичность конструкции и высокое согласование.

Вариант с волноводным тройником имеет меньшую массу при большей диапазонности, что позволяет эффективно его использовать в более крупногабаритных антеннах.

На фиг. 1 приведена конструкция волноводно-щелевого возбудителя антенны по первому варианту; на фиг.2 разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 диаграмма, поясняющая работу устройства; на фиг.4 констукция волноводно-щелевого возбудителя в другой модификации; на фиг.5 конструкция волноводно-щелевого возбудителя антенны по второму варианту; на фиг.6 конструкция волноводно-щелевого возбудителя антенны по третьему варианту; на фиг.7 разрез А-А на фиг.6; на фиг.8-10 варианты выполнения излучателей в системах излучателей.

Волноводно-щелевой возбудитель антенны (ВЩВА) по первому варианту содержит прямоугольный волновод 1, на широких стенках которого 2, 3 выполнены идентичные системы 4, 5 излучателей, заключенные соответственно между пластинами 6, 7 и 8, 9 первой и второй пар параллельных токопроводящих пластин, которые замкнуты между собой соответственно пластинами 10, 11 третьей пары параллельных токопроводящих или поглощающих пластин и двумя токопроводящими пластинами 12, 13, расположенными под углом, меньшим 90^о, к соответствующим широким стенкам 3, 2 и согласованную нагрузку 14.

ВЩВА по второму варианту (фиг. 5) содержит Е-плоскостной волноводный тройник 15, в широких стенках выходных плеч 18, 19 которого выполнены идентичные системы 20, 21 излучателей, заключенные между пластинами 22, 23 пары параллельных токопроводящих пластин, подсоединенных к внешним поверхностям широких стенок, а также согласованные нагрузки 24, 25, установленные соответственно на концах выходных плеч 18, 19.

ВЩВА по третьему варианту (фиг.6) содержит Е-плоскостной волноводный тройник 26, в широких стенках 27, 28 выходных плеч 29, 30 которого выполнены идентичные системы 31, 32 излучателей, первую и вторую пары параллельных токопроводящих пластин 33 и 34 и дополнительную токопроводящую или поглощающую пластину 35, расположенную в плоскости, проходящей через биссектрису угла между выходными плечами 29, 30 перпендикулярно их узким стенкам, при этом края пластин первой и второй пар параллельных токопроводящих пластин подсоединены соответственно к дополнительной токопроводящей или поглощающей пластине 35 и внешним поверхностям широких стенок 27, 28, а также согласованные нагрузки 38, 39, установленные соответственно на концах выходных плеч 29, 30.

Каждая из систем 4, 5, 20, 21, 31 и 32 излучателей может быть выполнена (фиг. 8) в виде n одинаковых щелей 40, расположенных вдоль оси, ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки, причем расстояние от щели, ближайшей к концу прямоугольного волновода 1 или выходного плеча 18 (19) или 29 (30) с согласованной нагрузкой до продольной оси соответствующей широкой стенки больше, чем расстояние от этой оси до щели, ближайшей к противоположному концу прямоугольного волновода.

Система излучателей может быть выполнена также в виде (фиг.9) n прямолинейных щелей 41, продольная ось каждой из которых расположена под углом к продольной оси соответствующей широкой стенки. Концы щелей 40 могут быть соединены между собой сквозной прорезью (фиг.10), образуя единую прямолинейную щель.

Волноводно-щелевой возбудитель антенны работает следующим образом.

Распространяющаяся вдоль прямоугольного волновода 1 к согласованной нагрузке 14 волна возбуждает системы 4, 5 излучателей в виде щелей, расположенных на широких стенках 2, 3. Эти щели переизлучают энергию в пространство между параллельными пластинами 6, 7 и 8, 9, образующими плоский волновод, ограниченный токопроводящими или поглощающими пластинами 10, 11, токопроводящими пластинами 12, 13 и широкими стенками 2, 3. Направление результирующего излучения определяется углом, под которым падает парциальная бриллюэновская волна в прямоугольном волноводе 1 (фиг.3). В результате совместного излучения системы щелей 40, 41 в плоском волноводе формируется плоский волновой фронт, вектор направления распространения котоpого образует с осью прямоугольного волновода угол ϕ определяемый из выражения: sinϕ , где λ длина рабочей волны, а ширина широкой стенки 2 (3) прямоугольного волновода 1. После отражения от пластин 12,13 этот плоский волновой фронт имеет направление распространения, противоположное направлению распространения в прямоугольном волноводе 1.

Для получения синфазного возбуждения в раскрыве ВЩВА системы щелевых излучателей выполнены идентичными, но расположенными по разные стороны от осевых линий стенки 2 и стенки 3 (фиг.2). В этом случае, если возникает опасность возбуждения нежелательной волны высшего типа в плоском волноводе, формируемом токопроводящими пластинами 6, 7 и 8, 9, расстояние между пластинами 6 и 7, 8 и 9 выбирается из условия: h ≅ a/2, где а размер широкой стенки прямоугольного волновода (фиг.4), при этом для получения результирующего синфазного раскрыва прямоугольной формы края первой и второй пар параллельных токопроводящих пластин 6, 7 и 8, 9, расположенные у конца прямоугольного волновода 1, противоположного концу с согласованной нагрузкой 14, изогнуты в плоскости, параллельной широким стенкам 2, 3, при этом края пластин 6, 7 в раскрыве волноводнощелевого возбудителя антенны лежат в одних плоскостях с соответствующими пластинами 8, 9.

В ВЩВА по второму варианту (фиг.5) распространяющаяся вдоль прямоугольного волновода 1 волна разветвляется в Е-плоскостном волноводном тройнике 15 и ее энергия, попадая в равных количествах в выходные плечи 18, 19, излучается через идентичные системы 20, 21 излучателей в пространство между парой параллельных токопроводящих пластин 22, 23, формирующих плоский волновод, ограниченный с боков широкими стенками 16, 17. Неизлученная часть энергии поглощается согласованными нагрузками 24, 25. Угол между выходными плечами 18, 19 симметричного Е-плоскостного волноводного тройника выбран равным 2 ϕ, что обеспечивает синфазное возбуждение раскрыва ВЩВА.

Для получения синфазного возбуждения раскрыва ВЩВА системы щелевых излучателей 20, 21 выполнены идентичными, но расположенными по разные стороны от осевых линий стенок 16, 17. Конструкция ВЩВА по второму варианту является более сложной по сравнению с конструкцией по первому варианту, но обеспечивает в заданном диапазоне волн возбуждение раскрыва, более близкое к синфазному по сравнению с ним при том же значении отклонения длины волны от расчетного значения λ соот- ветствующего формуле: sinϕ , вследствие того, что расстояние, которое проходит плоская волна в плоском волноводе ВЩВА, по второму варианту, до его раскрыва меньше, чем по первому варианту.

Для исключения возникновения нежелательной волны высшего типа в плоском волноводе, формируемом токопроводящими пластинами 22, 23, используется ВЩВА по третьему варианту, где расстояние между токопроводящими пластинами в одной паре 33 и в другой паре 34 токопроводящих пластин выбирается из условия невозможности возникновения волны высшего типа.

Для увеличения равномерности амплитудного распределения в раскрыве ВЩВА системы щелевых излучателей выполнены таким образом, чтобы по мере истечения энергии из прямоугольного воловода 1 увеличивалась интенсивность возбуждения излучателей. По мере приближения от осевой линии широкой стенки волновода 1 или волноводов выходных плеч 18, 19 к узкой стенке прямоугольного волновода 1 или соответствующим узким стенкам волноводов выходных плеч 18, 19 щелевые излучатели попадают в области протекания больших значений тока на соответствующих внутренних поверхностях широких стенок волноводов, чем достигается компенсация убыли энергии в волноводах и увеличивается равномерность амплитудного распределения в раскрыве ВЩВА.

Распределение тока на внутренней поверхности широкой стенки регулярного волновода в поперечном сечении подчиняется синусоидальному закону, при котором ток оказывается равным нулю на осевой линии широкой стенки и максимальным в месте соприкосновения широкой и узких стенок. Система излучателей из n одинаковых щелей 40, расположенных вдоль оси, ориентированная под углом к продольной оси соответствующей боковой стенки (фиг.8), обеспечивает линейную аппроксимацию компенсирующей функции, и при сравнительно большой длине волновода обеспечивает достаточно равномерное распределение поля в раскрыве ВЩВА при малых потерях энергии в поглощающей нагрузке 14 (38, 39). Кроме того, такая система излучателей технологична.

При меньшей длине волновода, определяемой требованиями к возбуждаемой антенне, системы излучателей 40 (фиг.8) могут не обеспечить требования по КПД, и для увеличения интенсивности отбора мощности из прямоугольного волновода используется система излучателей 41 (фиг.9). Промежуточным случаем является щелевой излучатель (фиг.10), который при средних значениях длины волновода обеспечивает хорошую равномерность амплитудного распределения поля в раскрыве ВЩВА с достаточно высоким КПД и хорошей диапазонностью.

Использование: в антенных системах, предназначенных для передачи и приема сигналов в спутниковых системах связи и вещания. Сущность изобретения: волноводно-щелевой возбудитель антенны по первому варианту содержит отрезок прямоугольного волновода, на одном конце которого установлена согласованная нагрузка, первую, вторую и третью пары параллельных токопроводящих пластин, первую и вторую систему излучателей, две токопроводящие пластины, перпендикулярные первой и второй парам параллельных токопроводящих пластин, которые расположены под углом, меньшим 90°, к плоскости соответствующих боковых стенок прямоугольного волновода. Первая и вторая системы излучателей смещены относительно продольных осей соответствующих стенок прямоугольного волновода, а их проекции на плоскость, проходящую через продольную ось прямоугольного волновода и параллельную его широким стенкам, симметричны относительно этой оси. Приведены еще два варианта выполнения. 3 с. и 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВОЙ ВОЗБУДИТЕЛЬ АНТЕННЫ, содержащий отрезок прямоугольного волновода, на первом конце которого установлена согласованная нагрузка, и первую пару параллельных токопроводящих пластин, расположенных перпендикулярно к внешней поверхности первой стенки отрезка прямоугольного волновода и соединенных с ней, вдоль которой выполнена первая система излучателей, расположенная между параллельными токопроводящими пластинами первой пары, отличающийся тем, что введены вторая пара параллельных токопроводящих пластин, расположенных перпендикулярно к внешней поверхности, противоположной первой стенке, являющейся широкой стенкой отрезка прямоугольного волновода, и соединенных с ней, вдоль которой выполнена вторая система излучателей, идентичная первой и расположенная между параллельными токопроводящими пластинами второй пары, при этом первая и вторая системы излучателей смещены относительно продольных осей стенок, на которых они расположены, а их проекции на плоскость, проходящую через продольную ось отрезка прямоугольного волновода и параллельную его широким стенкам, симметричны относительно этой оси, третья пара параллельных токопроводящих или поглощающих пластин, расположенных параллельно широким стенкам отрезка прямоугольного волновода и соединяющих края параллельных токопроводящих пластин первой и второй пар соответственно, четвертая пара токопроводящих пластин, расположенных перпендикулярно к параллельным токопроводящим пластинам первой и второй пар соответственно, соединяющих их края и расположенных под углом, меньшим 90^o, к внешней поверхности стенок отрезка прямоугольного волновода, с которыми соединены первая и вторая пары параллельных токопроводящих пластин соответственно со стороны согласованной нагрузки, при этом края параллельных токопроводящих пластин первой и второй пар соответственно у второго конца отрезка прямоугольного волновода лежат в одной плоскости, перпендикулярной широким стенкам отрезка прямоугольного волновода. 2. Возбудитель по п.1, отличающийся тем, что расстояние между параллельными токопроводящими пластинами первой и второй пар выбрано из условия h ≅ a / 2, где a размер широкой стенки отрезка прямоугольного волновода, а часть поверхности параллельных токопроводящих пластин первой и второй пар, расположенной у второго конца отрезка прямоугольного волновода, выполнена изогнутой в противоположных направлениях соответственно, в плоскости, параллельной широким стенкам отрезка прямоугольного волновода. 3. Возбудитель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что каждая система излучателей выполнена из n одинаковых щелей, расположенных вдоль одной оси, ориентированной под углом к продольной оси стенки, на которой она расположена, причем расстояние от щели, ближащей к концу отрезка, прямоугольного волновода с согласованной нагрузкой до продольной оси стенки больше, чем расстояние от этой оси до щели, ближайшей к противоположному концу отрезка прямоугольного волновода. 4. Волноводно-щелевой возбудитель антенны, содержащий волноводное Y-соединение, в стенках выходных плеч которого, обращенных одна к другой, выполнены соответственно идентичные первая и вторая системы излучателей, расположенные между двумя параллельными токопроводящими пластинами, расположенными перпендикулярно к внешним поверхностям стенок выходных плеч, на которых выполнены первая и вторая системы излучателей, при этом на концах выходных плеч установлены согласованные нагрузки, отличающийся тем, что волноводное Y-соединение выполнено E-плоскостным, первая и вторая системы излучателей смещены относительно продольных осей соответствующих стенок, на которых они выполнены, а их проекции на плоскость, проходящую через биссектрису угла между выходными плечами, перпендикулярную параллельным токопроводящим пластинам, симметричны относительно проекции на эту плоскость продольной оси стенок, на которых выполнены первая и вторая системы излучателей соответственно. 5. Волноводно-щелевой возбудитель антенны, содержащий волноводное Y-соединение, в стенках выходных плеч которого, обращенных одна к другой, выполнены соответственно идентичные первая и вторая системы излучателей, при этом первая система излучателей расположены между первой парой параллельных токопроводящих пластин, одни края которых расположены перпендикулярно к внешней поверхности соответствующей стенки и соединены с ней, а на концах выходных плеч установлены согласованные нагрузки, отличающийся тем, что волноводное Y-соединение выполнено E-плоскостным, вторая система излучателей расположена между введенной второй парой параллельных токопроводящих пластин, одни края которых расположены перпендикулярно к внешней поверхности стенки, на которой выполнена вторая система излучателей, а также введена дополнительная пластина, выполненная токопроводящей или поглощающей, расположенная в плоскости, проходящей через биссектрису угла между выходными плечами волноводного Y-соединения и перпендикулярно первой и второй парам параллельных токопроводящих пластин, другие края которых подсоединены к дополнительной пластине, при этом расстояние между параллельными токопроводящими пластинами первой и второй пар соответственно выбрано из условия h ≅ a / 2, где a - размер стенки, на которой выполнены первая и вторая системы, первая и вторая системы излучателей смещены относительно продольных осей стенок, на которых они расположены, а их проекции на плоскость, проходящую через биссектрису угла между выходными плечами перпендикулярно параллельным токопроводящим пластинам, симметричны относительно проекции на эту плоскость продольной оси стенки, на которой выполнены первая и вторая системы излучателей, причем часть поверхности параллельных токопроводящих пластин первой и второй пар, расположенные у концов выходных плеч с согласованными нагрузками, выполнены с изгибом в плоскости дополнительной пластины, при этом края параллельных токопроводящих пластин одной пары лежат в одной плоскости с краями соответствующих пластин второй пары. 6. Возбудитель по п.3 или 4, отличающийся тем, что каждая система излучателей выполнена из одинаковых щелей, расположенных вдоль одной оси, ориентированной под углом к продольной оси стенки, на которой она расположена, причем расстояние от щели, ближайшей к концу выходного плеча с согласованной нагрузкой, до продольной оси стенки больше, чем расстояние от этой оси до щели, ближайшей к противоположному концу выходного плеча. 7. Возбудитель по пп. 1, 2, или 4, или 5, отличающийся тем, что каждая система излучателей выполнена из n прямолинейных щелей, продольная ось каждой из которых расположена под углом к продольной оси стенки, на которой она расположена. 8. Возбудитель по пп. 3, или 6, или 7, отличающийся тем, что ближайшие друг к другу концы соседних щелей соединены между собой сквозной прорезью.