ВОЛНОВОДНАЯ АНТЕННА С БОЛЬШОЙ ШИРИНОЙ ЛУЧА Российский патент 1996 года по МПК H01Q19/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве бортовой антенны летательного аппарата.

Известны антенны с широкоугольной амплитудной диаграммой направленности (авторские свидетельства NN 212341, 227411, кл. Н 01 Q 19/00).

Известна рупорная антенна с большой шириной луча для трехсантиметрового диапазона (R.E. Mettep. "Electronics, 1960, т. 83, N 10, с. 50 53).

Однако амплитудные диаграммы направленности (АДН) этих антенн по уровню
3 дБ не превышают 130 150^o, кроме того эти антенны конструктивно выступающие.

Известна антенна в виде открытого конца круглого волновода, в котором распространяется волна типа Н11 (Фрадин А.В. Антенны сверхвысоких частот, Сов. радио, 1956, с. 144 150).

Известна также антенна в виде кольцевой щели, прорезанной на проводящей поверхности (Пистолькорс А.А. Теория кольцевой дифракционной антенны ЖТФ, т. XIV, 1944, N 2, с. 681; Levine H. Papas C. Theory of the Curcular Difruction Antenna. I. Appl. Phys, vol. 22, 1951, N 1, р. 29).

Конструктивно эти антенны можно выполнить невыступающими. Однако антенна в виде открытого конца круглого волновода имеет максимальное излучение в направлении оси волновода. Максимальное излучение антенны в виде кольцевой щели направлено вдоль проводящей поверхности, а в направлении, перпендикулярном проводящей плоскости, излучение отсутствует.

Известна невыступающая антенна с большой шириной луча (пат. США N 3205498, кл. 343 705, опублик. 1965 г. С.Н. Child. Dual mode beacon antenna), представляющая собой открытый конец круглого волновода, возбуждаемого двумя типами парциальных волн; Н11 и Е01. В патенте N 3205498 рассматривается также возможность использования открытого конца круглого волновода, возбуждаемого двумя типами волн: T и Н11.

Однако численная и экспериментальная оценка показала, что АДН этих антенн по уровню 3 дБ не превышает 140^o.

Действительно, парциальные АДН, обусловленные возбуждением в раскрыве круглого волновода волн Н11 и Е01, зависят от отношения (а радиус круглого волновода, l длина волны действующего колебания).

Для волны Е01 это отношение лежит в пределах от 0,766 до 1,76 (с точки зрения обеспечения распространения в круглом волноводе волны Е01 и затухания высших по сравнению с Е01 типов). Наибольшая направленность парциальной АДН Е01 вдоль направления перпендикулярном оси круглого волновода соответствует отношению . Нормированная АДН в этом случае показана на фиг. 1, кривая 1 (Справочник по волноводам, перевод с английского под редакцией проф. Я.Н. Фельда, М. Советское радио, 1952 г. с. 205, рис. IV.35); Максимальному значению АДН соответствует θ≈47^°. Уровню 3 дБ соответствует θ≈75^°. С учетом ослабления АДН, обусловленная возбуждением круглого раскрыва волной Е01, снята на поляризации соответствующей волны Н11, показаны на фиг. 1, кривая 2.

Для отношения АДН открытого конца круглого волновода, возбуждаемого волной Н11, показана на фиг. 1, кривая 3 (М.C. Жук, Ю.Б. Молочков. Проектирование антенно-фидерных устройств, М. Энергия, 1966 г. с. 508, рис. 10-4б).

Суммарная АДН волновода, возбуждаемого волнами Е01 и Н11 на поляризации, соответствующей поляризации волны Н11, показана на фиг. 1, кривая 4.

Как видно из фиг. 1, кривая 4, ширина суммарной АДH на уровне 3 дБ в полупространстве составляет не более 140^o, при этом имеются провалы, величина которых близка к 3 дБ. На фиг. 1, кривая 5, показана экспериментально снятая АДН волновода, возбужденного парциальными волнами Е01 и Н11 при и радиусе отражающего экрана, равного 10λ (при дальнейшем увеличении радиуса отражающего экрана АДН не изменяется).

Как видно из фиг. 1 экспериментально снятая АДН близко совпадает с АДН, определенной при теоретической оценке.

Кроме того, в этой антенне приходится искусственно вводить ослабление парциальной волны Н11 на 10 дБ по сравнению с волной Е01. Это объясняется тем, что при отношении размер радиуса круглого волновода для волны Е01 близок к критическому размеру, при котором наблюдается срыв колебаний, а для волны Н11 соответствует оптимальному. Введение искусственного ослабления значительно снимает КПД антенны, и, следовательно, коэффициент усиления в целом.

Можно было бы уменьшить провалы АДН и несколько увеличить ее ширину путем расширения составляющей АДН, обусловленной волной Н11, что возможно при отношении Однако это привело бы к срыву колебаний Е01.

Антенна в виде открытого коаксиального волновода с парциальными волнами типа Т и Н1 (см. рис. 6, патент США N 3205498) имеет характеристики направленности и параметры, примерно аналогичные антенне, в виде круглого волновода с волнами Е01 и Н11 (см. описание к пат. США N 3205498). Действительно формирование максимума излучения коаксиальной щели, возбужденной Т волной в направлении, перпендикуляром оси волновода, достигается выбором размера среднего радиуса а_с щели, удовлетворяющего условию
Ka_c 1,7 (1)
K волновое число (см. М.С. Жук, Ю.Б. Молочков. Проектирование антенно-фидерных устройств. М. Энергия, 1966 г. с. 129, ф4 14). Вместе с этим для выравнивания амплитуд векторов напряженности парциальных АДН Т и Н11 волн, отличающихся при оптимальном выбранном радиусе а_с примерно на 10 дБ, необходимо увеличить раскрыв коаксиального волновода. Увеличение раскрыва достигается изменением любого радиуса центрального проводника коаксиального волновода либо радиуса внешнего проводника. В том и другом случаях это приводит к изменению среднего радиуса раскрыва кольцевой щели, т.е. условие (1) нарушается. Кроме того, увеличение раскрыва кольцевой щели вызывает увеличение направленности парциальной АДН Н11 волны, что приводит к провалу в суммарной АДН всей антенны.

Таким образом анализ АДН антенны по пат. США N 3204598 показал, что:
ширина АДН антенны, представляющей собой открытый конец волновода с парциальными волнами Е01 и Н11, а также антенны в виде открытого коаксиального волновода с парциальными волнами типа: Т и Н11, по уровню 3 дБ не более 140^o;
имеются провалы АДН, величина которых близка к 3 дБ;
антенна имеет низкий коэффициент усиления, обусловленный искусственным введением затухания парциальной волны Н11 на 10 дБ.

Прототип ЕPС, з. N 0291233, кл. Н 01 Q 25/04, 1988, содержащий круглый волновод и металлическую трубу, образующие щель.

Цель изобретения создать невыступающую антенну с шириной АДН в плоскости Е по уровню 3 дБ не хуже 180^o.

Эта цель достигается с помощью комбинации центрального излучателя в виде открытого конца круглого волновода, возбуждаемого волной типа Н11, и соосно расположенного вокруг кольцевого резонатора с кольцевой щелью, прорезанной в его торце, возбуждаемой волной типа Т, так что плоскости раскрыва кольцевой щели и круглого волновода совпадают, причем в полости резонатора установлены две петли связи резонатора с волноводом, которые закреплены с помощью диэлектрика, расположенного в круглом волноводе. Центральный излучатель обеспечивает формирование поля излучения в области малых углов (в направлении вдоль оси антенны), а кольцевая щель обеспечивает формирование поля излучения в области больших углов (в направлении вдоль проводящей поверхности).

На фиг. 2 приведена конструкция антенны.

Антенная содержит центральный излучатель 1 в виде открытого конца круглого волновода, внутри которого размещены диэлектрический стержень 2, две металлические петли связи 3, удерживаемые диэлектрическим стержнем; кольцевую щель 4; резонатор 5, обеспечивающий возбуждение щели, проводящий экран 6 (корпус летательного аппарата).

Электромагнитная энергия в виде волны типа Н11, распространяясь по круглому волноводу 1, создает поле излучения центрального излучателя, одновременно часть энергии посредством петель связи 3 поступает в резонатор 5, обеспечивающий возбуждение кольцевой щели 4. АДН антенны формируется путем суммирования полей излучения центрального излучателя и кольцевой щели. Совмещение двух электродинамических систем круглого волновода и кольцевого раскрыва в одной антенне в отличие от прототипа позволяет осуществить разделение апертур с точки зрения оптимального формирования АДН парциальных волн.

Радиус (а) круглого волновода выбирается из условия обеспечения среднего размера диаметра кольцевой щели (d), равного 0,5λ(λ - длина волны действующего колебания). Относительная диэлектрическая проницаемость ((ε)) диэлектрика выбирается из условия обеспечения распространения в круглом волноводе радиуса а волны типа Н11. Размер l резонатора выбирается из условия возбуждения в нем волны типа Т.

На фиг. 3 показана снятая экспериментально АДН предлагаемой антенны в плоскости Е. При указанных размерах антенны ширина АДН по уровню 3 дБ составляет не менее 180^o.

Использование: антенная техника. Сущность изобретения: антенна состоит из круглого волновода с волной типа Н11 и соосно расположенной вокруг него металлической трубы, образующих коаксиальный резонатор, в торцовой стенке которого прорезана кольцевая щель, возбуждаемая волной типа Т. Плоскости раскрыва кольцевой щели и круглого волновода совпадают. Электрическая связь коаксиального резонатора с круглым волноводом осуществлена посредством двух петель связи, размещенных внутри коаксиального резонатора и закрепленных диэлектриком, который расположен в круглом волноводе. 3 ил.

Волноводная антенна с большой шириной луча, содержащая круглый волновод и концентрично расположенную металлическую трубу, образующую с ним кольцевую щель, причем плоскость раскрыва кольцевой щели совмещена с плоскостью раскрыва круглого волновода, отличающаяся тем, что кольцевая щель прорезана в торцевой стенке коаксиального резонатора, который образован металлической трубой и круглым волноводом и в полости которого установлены две петли связи, закрепленные посредством диэлектрика, расположенного в круглом волноводе.