ДВУХЗЕРКАЛЬНАЯ ОСЕСИММЕТРИЧНАЯ АНТЕННА Российский патент 1995 года по МПК H01Q15/00 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемо-передающей антенны в системах связи СВЧ-диапазона.

В последние годы широкое распространение получили ДЗА со смещенной фокальной осью.

В антеннах этого типа, например, АДЭ [A1] и АДП [A2] возможно существенно уменьшить диаметр вспомогательного зеркала (до 2-3 длин волн λ ) при сохранении высоких значений основных электрических параметров. Однако, коэффициент использования поверхности излучающего раскрыва (КИП) в этих ДЗА оказывается значительно ниже, чем это следует по данным теории (примерно на 20% ниже). Причины несоответствия расчетных и экспериментальных значений КИП между собой в литературе не исследованы. Особых нареканий со стороны практики это не вызывает, так как стандартное значение КИП антенн АДЭ и АДП равно 0,85, что само по себе является достаточно высокой величиной. Тем не менее рост требований к параметрам антенн заставляет искать пути их улучшения.

Изобретение направлено на повышение КИП ДЗА со смещенной фокальной осью при сохранении минимальных габаритов облучающей системы.

Как показал анализ теоретических и экспериментальных данных, основным путем улучшения КИП антенн со смещенной фокальной осью представляется создание первичного излучателя со следующей совокупностью характеристик:
а) осесимметричной формой диаграммы направленности (ДН);
б) широкоугольностью этой формы с 20_0,5 ≃ 30-40^оС;
в) стабильным и совпадающим для обеих основных поляризаций поля положением фазового центра;
г) сохранением указанных выше характеристик на расстояниях, соответствующих положению точек отражения на вспомогательном зеркале относительно центра раскрыва рупора.

ДЗА с таким первичным излучателем в наиболее полной мере реализует предсказываемые расчетным путем характеристики.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой является антенна типа АДЭ с первичным излучателем в виде открытого конца круглого волновода. Открытый конец круглого волновода, как известно, излучает практически сферическую волну с положением ФЦ, совпадающим с центром его раскрыва. При отношении его диаметра к длине волны около 0,8 ДН излученного поля примерно осесимметричны. Напомним, что расстояние дальней зоны в этом случае начинается с величины 1,3λ Недостатками прототипа являются относительно узкий рабочий диапазон, в котором сохраняется осевая симметрия поля; слишком большая широкоугольность ДН, вследствие чего повышается К_у и дифракционные эффекты на малом зеркале. Кроме этого, первичный излучатель не может создать неоднородный плоский волновой фронт для облучения малого зеркала с диаметром около 2,5-3λ, при котором антенна АДЭ еще сохраняет работоспособность.

Целью изобретения является повышение КИП ДЗА со смещенной фокальной осью и улучшение других электрических характеристик, например, развязки по кросс-поляризации при минимизации габаритов облучающей системы.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве первичного излучателя ДЗА со смещенной фокальной осью используется устройство, состоящее из собственно рупорной части и электрически соединенной с ней и соосной насадкой импедансного типа с четвертьволновыми канавками на внутренней поверхности насадки, причем насадка выполнена в виде отрезка металлического цилиндра (полого), с диаметром излучающего раскрыва, равным 2λ, где λ- средняя длина волны рабочего диапазона, а общее число канавок, прорезанных на внутренней поверхности цилиндра взято не менее восьми. Канавки могут быть как концентрическими, так и спиральными.

Предлагаемый первичный излучатель создает широкоугольную ДН с крутыми скатами и положением ФЦ, не зависящим от расстояния до точек малого зеркала, что позволяет максимально приблизить ход лучей в антенне к теоретически предсказываемому законами геометрической оптики (ГО). В этом случае теоретические и экспериментальные данные, такие как взаимное расположение элементов антенны и значения электрических характеристик оказываются максимально близкими между собой. При этом установлено, что на расстояниях l < λ от плоскости излучающего раскрыва первичного излучателя поле излучения является практически неоднородной плоской волной, поскольку именно такая волна возбуждается в насадке. При этом вспомогательное зеркало должно иметь параболическую образующую, а габариты облучающей системы оказываются минимально возможными (для устройств, формирующих плоскую волну в объеме цилиндра с диаметром 2,5-3λ). На расстояниях, превышающих 2λ, поле первичного излучателя представляет собой расходящуюся сферическую волну с точечным ФЦ. Для таких расстояний вспомогательное зеркало должно иметь эллиптический или гиперболический профиль, чтобы сформировать в раскрыве плоскую волну.

Наличие в изобретении первичного излучателя с описанной геометрией (конкретными размерами и числом канавок и др.), профилем вспомогательного зеркала, различным в зависимости от расстояния до излучающего раскрыва первичного излучателя (параболическим, если это расстояние меньше λ и эллиптическим, если оно больше 2λ), отличает его от выбранного прототипа. Подобное устройство в литературе не описано.

Возможность создания положительного эффекта основывается на выполненном анализе результатов теоретического исследования закономерностей распространения поля в бесконечном гофрированном волноводе с четвертьволновыми канавками на стенках (анализ качественный). Получено экспериментальное подтверждение ожидаемых эффектов на нескольких вариантах первичного излучателя и в антенне типа АДЭ. Использование изобретения позволяет спроектировать ДЗА типа АДЭ, АДГ или АДП с одним и тем же первичным излучателем, имеющим минимально возможные габариты. При этом реализуются более близкие к теоретическим значения КИП и УПБЛ, чем в прототипе и аналогах. Антенна типа АДП осуществима при расстоянии между раскрывом первичного излучателя и малым зеркалом, меньшим длины волны, а антенны типа АДЭ и АДГ при расстояниях, больших двух длин волн. Поскольку каждый указанный тип антенны обладает своими положительными качествами, которые наиболее полно реализованы с помощью изобретения, то соответствующий положительный эффект должен быть соотнесен с решаемой технической задачей.

На фиг. 1 показана конструктивная схема предлагаемой ДЗА в произвольном центральном сечении на примере известной схемы АДЭ (фиг.1а) и схема предлагаемого первичного излучателя в варианте с кольцевыми канавками на стенках насадки (фиг.1б).

Обозначения: D и d диаметры большого и малого зеркал соответственно; L расстояние между плоскостью излучающего раскрыва первичного излучателя и малым зеркалом (его острием) вдоль оси симметрии, r₀ внутренний радиус насадки; r₁ ее наружный радиус; 1 рупорная часть первичного излучателя (ПИ); 2 цилиндрическая насадка к ней длиной L, 3 малое зеркало с образующей кривой второго порядка, фокусы которой 0 и 0_ф, 4 большое зеркало с параболическим профилем и фокусом в точке 0 (для симметрии половины зеркала те же обозначения, но со значком "штрих" наверху. Фокальная ось образующей параболы параллельна оси симметрии и смещена от нее в сторону на расстояние d/2).

На фиг.2 показана конструктивная схема предлагаемого ПИ к антенне в варианте с двухзаходной спиральной канавкой на стенке насадки.

Обозначения: 1 собственно рупорная часть; 2 цилиндрическая насадка; 3 произвольное центральное сечение насадки 2 (канавки одной ветви спирали отмечены значком "о", второй, сдвинутой по торцу насадки на 90^о по отношению к первой, значком "х"; d_в диаметр питающего волновода. Точки начала ветвей спирали: С первой и В второй.

На фиг.3 представлена конструктивная схема предлагаемого ПИ к антенне в варианте с кольцевыми канавками (концентрическими) на стенках насадки 2. Обозначения те же, что и на фиг.1 и 2. В кружке "м" дана выноска, показывающая геометрию канавок, при этом t толщина металла по стенке между соседними канавками, S ширина канавок, q S+t. Эти характеристики одинаковы как для кольцевых, так и для спиральных канавок.

На фиг. 4 показана зависимость положения ФЦ L_ф одного из исследованных вариантов предложенного ПИ/с кольцевыми канавками на стенках и углом расфазированной части α₂= 45^о от расстояния RL_ф+L; на фиг.5 фазовые распределения и ДН одного из вариантов ПИ с данными: α₁11^о, α₂= 55^о, канавки кольцевые; на фиг. 6 набор фазовых диаграмм того же ПИ для разных расстояний L (фиг.6а), зависимость положения его фазового центра от расстояния (фиг.6б) и сектор углов ±θ^o в функции L, в пределах которого фазовая ошибка по модулю меньше 10^о, на фиг.7 амплитудные ДН предлагаемого ПИ в частотном диапазоне для варианта α₁ 11^о, α₂= 55^о, насадка с кольцевыми канавками; на фиг.8 амплитудные и фазовые распределения в плоскости раскрыва предлагаемой антенны с данными: схема АДЭ, D 2500 мм; d 200 мм; F 575 мм; Ψ_o= 90^о; α₁ 11^о; α₂= 45^о, насадка с кольцевыми канавками, 8 штук, L_ф 13 мм; L 151,5 мм. Измерения на частоте 11,2 ГГц.

Двухзеркальная антенна обладает осевой симметрией и содержит основное (большое) зеркало 4 со смещенной фокальной осью от параболической образующей, согласованное с ним по профилю вспомогательное (малое) зеркало 3 с образующей кривой второго порядка с фокусами в точках 0 и 0_ф и первичный излучатель 1-2, содержащий в свою очередь собственно рупорную часть 1 и импедансную насадку 2 с прорезанными на ее внутренней поверхности четвертьволновыми канавками. Диаметр внутренней поверхности 2г_о, совпадает с выходным диаметром конической части рупора 1 в сечении а-а^'. Кроме того, этот диаметр равен двум длинам волн для средней расчетной частоты диапазона волн. Насадка 2 может быть выполнена со спиральными канавками на стенках (фиг.2), либо с кольцевыми канавками (фиг. 3). Внешний диаметр насадки 2r₁ взят несколько больше 2,5λс учетом требуемой из конструктивных соображений толщины металла. Ширина каждой канавки S≅ , расстояние по металлу между соседними канавками t≅ , причем общее число канавок взято не менее восьми. Спиральная канавка является двухзаходной с точками начала каждой ветви С и В (фиг.2), сдвинутыми между собой на 90^о по торцу раскрыва. Шаг спиралей (через каждые 360^о) взят равным 2q 0,5λ Для построения рупорной части 1 может быть использован как синфазный, так и расфазированный рупор. Фокус 0 малого зеркала 3 совмещен с фокусом большого зеркала 4 (точка 0), а его второй (осевой) фокус 0_ф совмещен с фазовым центром первичного излучателя.

Двухзеркальная антенна (вариант) отличается эллиптической или гиперболической формой кривой, образующей профиль малого зеркала 3, (АДЭ или АДГ соответственно). При этом расстояние L между плоскостью раскрыва Q первичного излучателя и центром малого зеркала 3 взято больше 2λ.

Двухзеркальная антенна (вариант) отличается параболической формой кривой, образующей профиль малого зеркала 3, конфокальной образующей параболе большого зеркала 4, но со встречным направлением фокальной оси. Это ДЗА типа АДП τ<λ
Для пояснения работы устройства отметим, что в плоскости раскрыва Q первичного излучателя (фиг.2 и 3) возникает практически осесимметричное плоское поле со спадающим к краям распределением (Т). Такое поле излучает сложную волну.

Известно, что в поле излучения синфазного конечного раскрыва можно выделить две области пространства, характеризуемые относительным расстоянием в долях так называемого "расстояния Релея" R_o= , в пределах каждой из которых структура этого поля различна. В области 0 < R < 0,5R_oизлученная волна-неоднородная плоская; в области R > R_o излученная волна-неоднородная сферическая. Так как излучающий раскрыв ПИ 2r_o 2λ, то для него R_o 2λ. Как видно из фиг.2, фазовый центр излученного поля для расстояний R < λ сильно углубляется внутрь раскрыва (L_ф > 4λ), т.е. в указанной области пространства распространяется плоская волна. В интервале расстояний 1,5λ -2λ волна нерегулярная не плоская и не сферическая. Но для расстояний R > 2λ -2,5 λ формируется регулярная сферическая волна. Кривые получены для ПИ с d_в 23 мм, α₁=11^о, α₂= 45^о, канавки кольцевые, f 10 ГГц (f частота).

Описанный характер поля излучения ПИ сохраняется неизменным качественно при различных выполнениях рупорной части 1 (близкой к синфазному или расфазированному рупору) и при насадке с концентрическими или спиральными канавками. В зависимости от характера канавок наблюдаются различия в положении фазового центра L_ф излученного поля, степени его симметрии и крутизне скатов ДН. Насадка со спиральной канавкой формирует большую крутизну скатов ДЧ, чем с кольцевыми при лучшем согласовании волноводного входа. Последнее объясняется тем, что в доль оси симметрии 0-0^' противолежащие точки спирали сдвинуты между собой на q0,25λ поэтому отраженные от них волны в сторону рупорной части 1 проходят этот путь дважды, т.е. имеют разность фаз, равную 180^о. Следовательно при спиральной канавке в сторону рупора 1 отраженной волны диаметрально противолежащие поверхностные поля на стенках насадки взаимно компенсируются. Отсутствие поверхностной отраженной волны вдоль стенок насадки со спиральной канавкой способствует уменьшению уровня паразитных излученных полей, поэтому крутизна скатов ДН такой насадки выше, чем у насадки с кольцевыми канавками.

На фиг. 5 приведены фазовые распределения в поле рупора с d_в 19 мм, α₁= 11^о, α₂= 55^о при насадке с кольцевыми канавками на частоте f 11,2 ГГц в функции параметра 1 и в зависимости от угла θ^o поворота зонда вокруг ФЦ поля остается практически неизменным для всех установленных расстояний, а ДН (верхние рисунки) одинаковы для обоих поляризаций и имеют достаточно крутые скаты.

На фиг.6 приведены обобщенные результаты измерений для этого ПИ. На фиг. 6а приведен набор фазовых распределений для Е и Н плоскостей в функции расстояний 50≅L≅1000 мм; на фиг.6б зависимость положения ФЦ L_фот расстояния L и на фиг.6в сектор углов (-θ)^o-(+θ)^o в пределах которого отклонение фазы волны от сферической по модулю не превышает 10^одля Е и Н плоскостей поля одновременно. Расчетная длина волны λ= 26,2 мм, расстояние релея R_o 53,6 мм. Исследовалось поле в интервале расстояний L > 0,5R_o. Как видно из фиг.6б, при L > R_o излученное поле весьма быстро становится сферическим, как это и следует из теории.

Было проверено сохранение характеристик в частотном диапазоне (фиг.7). Измерения подтверждают стабильность формы ДН в частотном диапазоне при сохранении неизменным положения ФЦ.

Так как профили зеркал 3 и 4 согласованы между собой с целью формирования в раскрыве антенны синфазного волнового фронта, то на основе симметричного распределения в раскрыве Q ПИ, в раскрыве антенны Р формируется плоская волна с симметричным распределением.

Устройство по п.2 работает следующим образом. Первичный излучатель 1-2 в пространственную область L > 2λ излучает сферическую волну, преобразуемую малым зеркалом 3 в тороидальную с фокальным кольцом 0-0^'(фиг.1). Эта волна облучает тороидальное большое зеркало 4 из его фокального кольца. Зеркало 4 формирует в плоскости Р раскрыва ДЗА синфазный волновой фронт. Амплитудное распределение в раскрыве является симметричным и спадающим к краям. Такому распределению соответствует высокий КИП и низкий УПБЛ. Так как диаметр излучающего раскрыва Q первичного излучателя равен 2λ то диаметр d малого зеркала 3 может быть взят, начиная со значения 2,5λ. Это обеспечивает при необходимости минимизацию габаритов облучающей системы.

Устройство по п. 2 было проверено экспериментально. Измерено распределение поля в раскрыве Р ДЗА (фиг.8) с ПИ, характеристики которого показаны на фиг.4. Измерения выполнены в функции угла Q облучения большого зеркала 4 из фокуса 0. При настройке было обнаружено, что расстояние L точно совпало с его расчетным значением 151,5_mm по ГО, что для обычных рупорных излучателей не наблюдается. Там величина смещения составляет обычно около половины длины рабочей волны. Расфазировка в раскрыве меньше 10^о по модулю, т.е. фазовые ошибки несущественны. Амплитудное распределение слабо осциллирующее без сильных провалов в интервале углов θ 0-40^о, как это наблюдается при рупорном излучателе. По измеренным распределениям были рассчитаны основные характеристики, а именно, получено: КИП 0,85 и УПБЛ -2 дБ, что практически совпадает с геометрооптическими данными.

Устройство по п.3, которое представляет собой антенну типа АДП, работает следующем образом.

Первичный излучатель 1-2 в области расстояний L < λ излучает плоскую волну (фиг. 4). Малое зеркало 3 с параболической образующей создает тороидальную отраженную волну с кольцевым фокусом 0-0^'. Дальнейшая трансформация этого поля в синфазный волновой фронт в раскрыве ДЗА происходит аналогично описанному ранее с теми же положительными свойствами.

Техническая эффективность предлагаемой двухзеркальной антенны определена путем сравнения с прототипом и аналогами на основе прямых экспериментальных исследований и путем математического эксперимента. В результате подтверждена возможность получения ожидаемых положительных эффектов.

На основе описанного технического решения могут быть сконструированы ДЗА типа АДЭ, АДГ и АДП с высокими значениями КИП и низким УПБЛ при минимально возможных габаритах облучающей системы. Такие антенны оказываются более эффективными, чем известные.

Предлагаемая конструкция обладает простотой и технологичностью. Например, насадку 2 первичного излучателя технологически проще изготовить со спиральными канавками на внутренней поверхности цилиндра, чем конический рупорный излучатель с кольцевыми или спиральными канавками на его рабочей поверхности.

Использование: в антенной технике. Сущность изобретения: облучатель в виде рупора и импендансной цилиндрической насадки с четвертьволновыми канавками на внутренней поверхности позволяет сформировать осесимметричную диаграмму с крутыми скатами и стабильным положением фазового центра, не зависящим от расстояния до точек отражения лучей на вспомогательном зеркале в фиксированных интервалах расстояний между плоскостью раскрыва облучателя и центром вспомогательного зеркала. Если это расстояние меньше длины волны, то вспомогательное зеркало параболическое, если же оно больше двух длин волн, вспомогательное зеркало элиптическое или гиперболическое. Описаны различные варианты выполнения рупорной части и импедансной цилиндрической насадки (с кольцевыми или спиральными канавками). Технический эффект: повышение КПД двухзеркальной антенны со смешанной фокальной плоскостью и улучшение развязки по кросс-поляризации при минимизации габаритов облучателя. 2 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. ДВУХЗЕРКАЛЬНАЯ ОСЕСИММЕТРИЧНАЯ АНТЕННА, содержащая основное параболическое зеркало со смещенной фокальной осью, вспомогательное зеркало, профиль которого, образованный вращением кривой второго порядка, согласован с профилем основного зеркала, и облучатель, выполненный в виде рупора и присоединенный соосно к его раскрыву насадкой, на внутренней поверхности которой выполнены четвертьволновые канавки, отличающаяся тем, что насадка выполнена в виде отрезка металлического цилиндра, внутренний диаметр которого 2r₀ равен диаметру раскрыва рупора и 2r_o= 2λ_ср, где λ_ср средняя длина волны рабочего диапазона, а его внешний диаметр 2r₁= 2,5λ_ср, при этом ширина каждой канавки s ≅ λ_ср/6 , расстояние между соседними канавками вдоль поверхности d ≅ λ_ср/12 , а общее число канавок не менее восьми. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что вспомогательное зеркало является эллиптическим или гиперболическим, при этом расстояние между плоскостью раскрыва облучателя и центром вспомогательного зеркала больше 2λ_ср
3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что вспомогательное зеркало является параболическим, при этом расстояние между плоскостью раскрыва облучателя и центром вспомогательного зеркала меньше λ_ср