АНТЕННА С ПРОТЯЖНЫМ РАСКРЫВОМ (ЕЕ ВАРИАНТЫ) Российский патент 1996 года по МПК H01Q19/12 

Изобретение относится к зеркальным или рупорным антеннам и может быть использовано как в качестве самостоятельной антенны так и в качестве линейного облучателя цилиндрических или линзовых антенн, либо в составе фазированных антенных решеток.

Известна антенна с протяженным раскрывом, представляющая собой рупорную антенну, состоящую из отрезка волновода постоянного сечения, открытый конец которого состыкован собственно с рупором, представляющим собой волновод прямоугольного сечения с линейно увеличивающимися размерами широких стенок - Н-плоскостной секториальный рупор [1] СВЧ энергия излучается из открытого конца волновода в виде расходящегося ручка лучей. Расходимость (расфазировка) уменьшается с увеличением длины рупора, но существует всегда. Коэффициент усиления антенны пропорционален площади раскрыва. Однако с увеличением размеров раскрыва быстро растет оптимальная длина рупора. Как правило, длина рупора в 1,5 2 раза больше его раскрыва. В результате указанных особенностей рупорная антенна имеет относительно большие осевые размеры, что является ее существенным недостатком. К общим с заявляемым устройством существенным признаком указанного аналога относятся наличие двух параллельных плоских проводящих пластин и облучателя в виде открытого конца волновода.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является антенна с протяженным раскрывом, выполненная в виде так называемой сегментно-параболической антенны [2] Она содержит параболическое зеркало в виде короткого параболического цилиндра, заключенное между двумя параллельными плоскими проводящими пластинами, перпендикулярными образующей цилиндра, и облучатель в виде открытого конца рупорного волновода, расположенный со стороны излучающего раскрыва в фокусе отражательного зеркала. В такой антенне СВЧ энергия в виде основной волноводной моды излучается из открытого конца волновода и после отражения от параболического зеркала излучается в виде параллельного пучка лучей из раскрыва антенны, образованного параллельными пластинами. Данной антенне, принятой в качестве прототипа, как и другим известным однозеркальным антеннам, присущи относительно большой осевой размер и затенение излучающего раскрыва, вызванное расположением облучателя в фокусе зеркала, а также невысокий коэффициент использования поверхности (КИП). Как правило, КИП таких антенн из-за спадающего к краям амплитудного распределения не превышает 0,6. Увеличение КИП возможно за счет увеличения фокусного расстояния, т.е. осевого размера антенны, однако следствием этого является необходимость обужения диаграммы направленности облучателя, т. е. увеличения раскрыва облучателя, что увеличивает затенение излучающего раскрыва облучателя.

Существенное уменьшение осевых размеров антенны и повышение КИП достигаются в двухзеркальных антеннах с большим размером вспомогательного зеркала (контррефлектора), однако увеличение размера последнего ограничено условием затенения излучающего раскрыва.

Изобретение направлено на создание антенны с протяженным раскрывом, обладающей меньшим осевым размером и меньшим затенением излучающего раскрыва, а также обеспечивающей широкие возможности по формированию заданной диаграммы направленности, увеличению КИП, апланатизму и другим параметрам, присущим двухзеркальным антеннам, без ограничений на размер контррефлектора.

Указанный технический результат достигается в двух заявляемых вариантах. При этом общими с прототипом признаками являются наличие в антенне с протяженным раскрывом зеркала, заключенного между двумя параллельными плоскими проводящими пластинами, и облучателя в виде открытого конца волновода.

В антенне с протяженным раскрывом по первому варианту, содержащей зеркало, заключенное между двумя параллельными плоскими проводящими пластинами, и облучатель в виде открытого конца волновода, согласно изобретению облучатель расположен в центре зеркала, и в антенну введена третья плоская проводящая пластина, параллельная указанным двум, разделяющая зеркало и облучатель пополам, причем одна из половин зеркала выполнена из диэлектрика, а в волноводе одной из половин облучателя предусмотрен фазосдвигающий на π элемент. При этом в одном частном случае зеркало выполнено параболическим с осевым размером, равным половине фокусного расстояния. В другом частном случае использованы возможности получения в заявляемой антенне с протяженным раскрывом свойств, присущих двухзеркальной антенне с соответственно выбранными профилями основного и вспомогательного зеркал. Это достигается тем, что профиль зеркала и профиль третьей пластины со стороны излучающего раскрыва выполнены аналогичными профилям соответственно основного и вспомогательного зеркал двухзеркальной антенны, имеющей раскрыв вспомогательного зеркала, равный раскрыву основного зеркала.

По второму варианту изобретения одна из половин зеркала, выполненного, как и в прототипе, из проводящего материала, смещена в направлении излучающего раскрыва на четверть длины волны. При этом из двух частных случаев, аналогичных первому варианту, в том, когда зеркало выполнено параболическим, осевой размер более удаленной от излучающего раскрыва половины зеркала равен половине фокусного расстояния.

Расположение облучателя в центре зеркала, приводящее к уменьшению осевых размеров и затенения антенны с протяженным раскрывом, являющейся однозеркальной антенной, стало возможным благодаря введению третьей плоской проводящей пластины, разделяющей зеркало и облучатель пополам. Эта пластина выполняет функцию контррефлектора, практически не затеняющего раскрыв антенны. Для выполнения этой функции необходимо возбудить обе половины облучателя в противофазе за счет введения в волновод одной из половин облучателя фазосдвигающего на p элемента, поскольку в этом случае отсутствуют условия излучения волн от обеих половин облучателя в свободное пространство, где они интерферируют в противофазе, а следовательно, происходит их отражение от кромки средней пластины в направлении зеркала. Для излучения же в свободное пространство отраженных от зеркала волн необходимо обратить их в синфазные, что достигается выполнением одной из половин зеркала из диэлектрика в первом варианте или смещением ее на четверть длины волны в направлении излучающего раскрыва во втором варианте.

Таким образом, в обоих вариантах обеспечивается получение одного и того же результата принципиально одним и тем же путем, что и обусловило объединение двух технических решений в одну заявку.

Выполнение профиля зеркала параболическим с осевым размером, равным половине фокусного расстояния, и размещении в его центре облучателя позволяют обеспечить такие же условия облучения как в зеркальной параболической антенне с облучателем, помещенным в ее фокусе, т.е. уменьшить осевой размер антенны с протяженным раскрывом в два раза.

Введение в предлагаемую антенну с протяженным раскрывом третьей пластины, выполняющей функцию контррефлектора, позволяет рассматривать ее как аналог двухзеркальной антенны, в которой зеркало заключенное между двумя параллельными пластинами, является основным зеркалом, а третья пластина по ее профилю со стороны излучающего раскрыва вспомогательным зеркалом, раскрыв которого равен раскрыву основного зеркала. Другими словами, как аналог двухзеркальной антенны, у которой сняты ограничения на размер вспомогательного зеркала, вызванные условием допустимого затенения. Приданием профилю зеркала и профилю третьей пластины со стороны излучающего раскрыва профилей соответственно основного и вспомогательного зеркал двухзеркальной антенны у заявляемой антенны с протяженным раскрывом могут быть получены свойства, присущие той или иной двухзеркальной антенне, но с учетом того, что раскрыв вспомогательного зеркала доведен до величины раскрыва основного зеркала: значительное повышение КИП, уменьшение осевого размера, более простая реализация апланатической системы, расширение возможностей по формированию заданной диаграммы направленности.

Изобретение поясняется чертежами на трех фигурах: на фиг.1 показана антенна по первому варианту; на фиг.2 антенна по второму варианту; на фиг.3 профили зеркала и контррефлектора, полученные расчетным путем.

Антенна по первому варианту (см. фиг.1) содержит облучатель 1, в качестве которого использован открытый конец волновода, размещенный в центре зеркала 2, выполненного в виде параболического цилиндра, со стороны, противоположной его лицевой поверхности, причем зеркало имеет осевой размер, равный половине фокусного расстояния параболы, и заключено между двумя плоскими металлическими пластинами 3, металлическую пластину 4, параллельную пластинам 3, разделяющую зеркало 2 и облучатель 1 пополам, при этом верхняя половина зеркала выполнена из металла, нижняя из диэлектрика, а в верхней половине волновода облучателя 1 установлен фазосдвигающий на p элемент 5.

Отличие антенны по второму варианту (см. фиг.2) состоит в том, что нижняя половина зеркала 2 выполнена не из диэлектрика, а, как и верхняя половина, из металла и смещена в направлении излучающего раскрыва на четверть длины волны, поэтому волновод облучателя 1 имеет ступенчатый вид.

Функционирование антенны по первому варианту осуществляется следующим образом. СВЧ энергия в виде основной волноводной моды поступает в волновод облучателя 1 и возбуждает его верхнюю и нижнюю половины в противофазе, благодаря установленному в волноводе верхней половины облучателя фазосдвигающему на p элементу 5, в качестве которого может быть использован обычный фазовращатель с фиксированным поворотом фазы или, например, диэлектрическая вставка, размещенная в волноводе соответствующей половины облучателя. При этом излучение в свободное пространство будет незначительным (тем меньшим, чем меньше расстояние между пластинами 3), поскольку волны, излучаемые одной половиной облучателя 1, интерферируют в свободном пространстве с волнами от другой половины облучателя в противофазе. В результате волны, исходящие от каждой половины облучателя, отражаются от кромки пластины 4 в направлении зеркала 2, аналогично отражению от разомкнутой на конце симметричной полосковой линии передачи. После отражения от соответствующих половин зеркала 2 волны становятся синфазными за счет сдвига фаз на p в коэффициентах отражения от металла и диэлектрика, благодаря чему волны, исходящие от обеих половин облучателя 1, будут интерферировать в свободном пространстве в фазе, отражение от кромки пластины 4 не произойдет и они будут излучаться в свободное пространство в виде параллельного пучка лучей.

Зеркало 2 с параболическим профилем выполняется с осевым размером, равным половине фокусного расстояния, т.к. расположение облучателя в вершине параболического зеркала дает такой же результат по использованию поверхности зеркала, как при расположении облучателя перед параболическим зеркалом в его фокусе (в данном случае в мнимом фокусе). Выполнение нижней половины зеркала 2 из диэлектрика приводит к потерям энергии падающей волны: , где n коэффициент преломления. Поэтому целесообразно использовать диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (более 100).

Таким образом, реализация изобретения по первому варианту позволяет в антенне с протяженным раскрывом в два раза уменьшить осевой размер и практически исключить затенение излучающего раскрыва.

Особенность работы антенны по второму варианту состоит в том, что в результате смещения нижней половины 2 зеркала на четверть длины волны в направлении излучающего раскрыва, путь, проходимый волной, исходящей от облучателя 1, в верхней половине раскрыва до ее отражения от соответствующей половины зеркала 2 больше, чем в нижней половине раскрыва, на расстояние в две четверти длины волны, т.е. на π. Тем самым достигается синфазность волн, отраженных от верхней и нижней половин зеркала 2.

Во втором варианте, по сравнению с первым, снижаются потери энергии, благодаря выполнению обеих половин зеркала из металла, и по той же причине повышается технологичность. Следует отметить, что обеспечение синфазности волн, отраженных от обеих половин зеркала, может быть достигнуто эквивалентным решением выполнением одной половины зеркала 2 в виде параболы с фокусным расстоянием на одну четверть длины волны меньшим, чем у параболы другой половины. Однако при этом увеличивается номенклатура деталей, что практически нецелесообразно.

"В обоих вариантах пластина 4 выполняет функцию контррефлектора, поскольку от ее кромки волны отражаются в сторону зеркала 2. Наличие контррефлектора в предлагаемой антенне с протяженным раскрывом позволяет реализовать в ней двухзеркальную антенну путем придания профилю зеркала 2 и профилю пластины 4 со стороны излучающего раскрыва профилей, аналогичных профилям соответственно основного и вспомогательного зеркал той или иной двухзеркальной антенны, выбранных с допущением равенства их раскрывов".

Выполнение последнего условия ограничено в двухзеркальных антеннах эффектом затенения излучающего раскрыва вспомогательным зеркалом (контррефлектором), поэтому в заявляемой антенне параметры могут быть улучшены по сравнению с двухзеркальной антенной. Так, коэффициент использования поверхности у известных двухзеркальных антенн составляет 0,65-0,7, тогда как у заявляемой антенны превышает 0,9, что подтверждено расчетами. Результаты расчета профилей зеркала и контррефлектора, реализующих КИП более 09, приведены и графически показаны на фиг. 3. Методом лучевой оптики диаграмма направленности облучателя была пересчитана в амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве антенны, что позволило вычислить КИП, равным 0,92.

Реализация в заявляемой антенне с протяженным раскрывом апланатических систем осуществляется более эффектно, чем в апланатических двухзеркальных антеннах. Известны перспективная двухзеркальная апланатическая антенна, пригодная для сканирования в секторе 90^o (см. [3] с.197, рис.V.31), бифокальная апланатическая антенна (cм. [3] с.229, рис. V.60) и другие, у которых раскрыв вспомогательного зеркала равен раскрыву основного зеркала. Недостатком таких антенн является необходимость устранения затеняющего эффекта вспомогательного зеркала (см. [3] с.206). Этот недостаток устраняется использованием специальных поляризационных развязывающих устройств (см. [3] с. 249-253). Очевидно, что в заявляемой антенне использование подобных устройств не требуется. При этом расчет профилей антенны производится, исходя из заданных параметров и условий апланатизма в соответствии с известными методиками для двухзеркальных антенн (см. [3] гл. V, VI.2, с.265). Таким образом, предлагаемая антенна с протяженным раскрывом позволяет получить свойства, присущие двухзеркальным антеннам, без принятия специальных мер по устранению затенения контррефлектором (типа поляризационных развязок, использования половины зеркала и др.).

Литеpатуpа.

1. Айзенберг Г. P. Антенны ультракоротких волн. М. Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1957, с. 335.

2. Справочник по радиолокации. Pедактоp Cколник М. т.2. М. Cоветское радио, 1977, с. 111.

3. Бахрах Л. Д. Галимов Г.К. Зеркальные сканирующие антенны. М. Наука, 1981. ЫЫЫ2

Использование: техника СВЧ. Сущность изобретения: антенна содержит зеркало, заключенное между двумя параллельными проводящими пластинами, и облучатель в виде открытого конца волновода. Облучатель расположен в центре зеркала с внешней стороны. Между двумя проводящими пластинами, параллельно им, помещена третья проводящая пластина, разделяющая зеркало и облучатель пополам. В волноводе одной из половин облучателя помещен фазосдвигающий на П элемент. В первом варианте одна из половин зеркала выполнена из диэлектрика. При выполнении зеркала параболическим с осевым размером, равным половине фокусного расстояния, осевой размер антенны уменьшается в два раза. По второму варианту одна из половин зеркала смещена в направлении излучающего раскрыва антенны на четверть длины волны, что позволяет уменьшить диссипативные потери, вносимые диэлектриком, используемым в половине зеркала по первому варианту. При выполнении зеркала параболическим осевой размер зеркала выбран равным половине фокусного расстояния для более удаленной от излучающего раскрыва половины. 2 с. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1 Антенна с протяженным раскрывом, содержащая зеркало, заключенное между двумя параллельными проводящими пластинами, и облучатель в виде открытого конца волновода, отличающаяся тем, что облучатель расположен в центре зеркала со стороны, противоположной его лицевой поверхностни, и введена третья проводящая пластина, параллельная двум проводящим пластинам и разделяющая зеркало и облучатель пополам, причем одна из половин зеркала выполнена из диэлектрика, а в волноводе одной из половин облучателя размещен фазосдвигающий на π элемент.