ЛИНЕЙНАЯ ИЗЛУЧАЮЩАЯ СИСТЕМА Российский патент 1996 года по МПК H01Q21/00 H01Q13/20 

Изобретение относится к радиотехнике, к антенно-фидерной технике и может быть использовано в качестве делителя мощности или сумматора мощности, а также для построения антенн с линейной системой излучателей. Известными антеннами с линейной системой излучателей являются прямолинейный провод с электрическим током, протяженная щель в плоском экране или в стенке прямоугольного волновода с напряжением, приложенным к ее краям, диэлектрическая стержневая антенна в виде отрезка диэлектрического волновода с поверхностной волной, цилиндрическая спиральная антенна, система одинаковых вибраторов, центры которых расположены на прямой линии, волноводно-щелевые антенные решетки (Марков Г.Т. Сазонов Д.М. Антенны, 1975, с.198) и т.д.

В целом линейная излучающая система полностью определяется законом размещения центров излучения вдоль оси и законом распределения комплексных амплитуд возбуждения по отдельным элементам, так называемым амплитудно-фазовым распределением возбуждения. Тогда в соответствии с теоремой перемножения ее диаграмму направленности (ДН) можно представить в виде
f(θ,Φ)=F_эл(θ,Φ)•f_Σ(θ),
где F_эл(θ,Φ) векторная комплексная ДН элемента в собственной системе координат;
f_Σ(θ) скалярный комплексный множитель направленности системы изотропных излучателей, расположенных в точках размещения центров элементов вдоль оси системы.

Наиболее близким техническим решением являются волноводно-щелевые антенные решетки (Марков Г.Т. Сазонов Д.М. Антенны. М. Энергия, 1975, с. 358-366 прототип).

Здесь следует отметить, что выражение ДН f(θ,Φ) верно в том случае, если элементы излучения не зависят друг от друга. Однако между ними в реальных антенных решетках (АР) за счет рассогласования элементов с линией возбуждения существует взаимная связь, которая изменяется в диапазоне частот в основном из-за изменения электрической длины линии между излучателями (Антенны и устройства СВЧ под ред.Воскресенского, 1972, с. 136-137). Это, в свою очередь, приводит к искажению заданного амплитудно-фазового распределения возбуждения в линейной системе и ее рассогласование на входе. Поэтому при изменении частоты можно наблюдать непредсказуемые распределения возбуждения, рассогласование входов может достигать КСВ (3-5), при этом в ДН возрастают боковые лепестки, а при полном отражении в ДН появляются провалы или нули.

Поэтому существенным недостатком волноводно-щелевых антенн является ограниченность рабочей полосы частот, вызывающая нежелательные отклонения луча ДН при изменении частоты и потери в оконечной нагрузке около (5-20) от входной мощности в нерезонансных антеннах и очень узкая полоса согласования не превышающая нескольких процентов в резонансных антеннах, например, в линейной решетке, состоящей из 20 излучателей рабочая полоса частот составляет около 0,9% для КСВ=1,2.

Следовательно, недостатком антенн с системой линейных излучателей является искажения ДН, уменьшение КНД и из-за очень узкой полосы согласования.

Целью изобретения является увеличение ширины полосы согласования линейной АР.

Это достигается тем, что в линейной излучающей системе, имеющей один вход на две линии возбуждения, с расположенными на них элементами излучения, распределенными вдоль линий, элементы излучения, расположенные на одинаковых электрических расстояниях от входа, включены относительно друг друга обратным образом и их проводимости выбираются из условия
Y_iX_i G₁G₂
где Y_i,X_i проводимости излучающих элементов;
G₁,G₂ волновые проводимости линий.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображена широкополосная линейная антенная решетка; на фиг. 2 эквивалентная схема линейной антенной решетки при широкополосном согласовании; на фиг. 3 - широкополосная резонансная волноводно-щелевая решетка; на фиг. 4 - эквивалентная схема широкополосной резонансной волноводно-щелевой решетки, состоящей из двух линий, симметричных относительно входа; на фиг. 5 диаграмма входной проводимости от частоты для линии с последовательной схемой включения элементов излучения, для N 3; на фиг. 6 диаграмма входной проводимости от частоты для линии параллельной схемой включения элементов излучения, для N=3; на фиг. 7 диаграмма входной проводимости эквивалентной схемы широкополосной резонансной волноводно-щелевой решетки от частоты с параллельной и последовательной схемой включения элементов излучения, для N=3+3; на фиг. 8 характеристика КСВ на входе эквивалентной схемы широкополосной резонансной волноводно-щелевой решетки: 1) с параллельной (последовательной) схемой включения элементов излучения, для N=3; 2) с параллельной и последовательной схемой включения элементов излучения, для N 3 + 3; 3) с параллельной и последовательной схемой включения для N 20 + 20.

Предлагаемое устройство широкополосной решетки (фиг.1) состоит из входа 1, общего для линий возбуждения 2 и 3, вдоль которых распределены элементы излучения 4 и 5 расположенные на одинаковых электрических расстояниях от входа, а если волновые числа линий одинаковы, то на равных расстояниях.

Эффект широкополосности в линейной антенной решетке (фиг. 2) достигается тем, что по разные стороны входа (генератора) 1 расположены по крайней мере две линии возбуждения 2 и 3, в которых элементы излучения 4 и 5, имеющие обратные проводимости у_i= 1/х_i, где у_i, х_i - нормированные проводимости, включены обратным образом, т.е. если в одной линии параллельно, то в другой последовательно, но на одинаковых электрических расстояниях от генератора.

При этом нормированные проводимости линий х_л, у_л в их любых сечениях, расположенных на одном расстоянии от входа, имеют обратные проводимости у_i 1/х_i причем если в одной линии нормированная проводимость у_л > 1, то для другой линии проводимость х_л < 1. При таком соотношении проводимостей в линиях сигналы отраженные на вход АР будут иметь одинаковые амплитуды,но обратные знаки, что приводит к компенсации отраженных сигналов на входе АР в широком диапазоне частот.

Согласование АР по входу можно выполнить как в нерезонансной решетке, но лучше сделать как в резонансной.

Поэтому для полного согласования АР со стороны входа необходимо, чтобы сумма проводимостей излучения, активных проводимостей, на средней частоте в каждой линии была согласованна со входом АР:

В качестве примера рассмотрим АР состоящую из двух линий (фиг. 3), в которой проводимости элементов излучения в одной линии включены параллельно, а в другой последовательно, а расстояния от входа до элементов возбуждения d=l=nλ, где n 1,2,3. l- средняя длина волны рабочей полосы пропускания (фиг. 4). Обе линии имеют одинаковые волновые числа b₁= β₂, поэтому d_i l_i. Нормированные проводимости в линиях связаны соотношением g_i 1/r_i, или g_i r_i. Для полного согласования линейной АР необходимо выполнить условие

И тогда при параллельном подсоединении линий к генератору условие полного согласования линий и генератора выглядит так

Если рассматривать каждую линию с параллельным и последовательным включением отдельно, то при таком выборе параметров линий на входе линий их водные проводимости относительно друг друга имеют обратные проводимости, т. е. х_л < 1, y_л > 1 и коэффициенты отражения в линиях имеют противоположные знаки, но одинаковые амплитуды (фиг.5 и фиг.6). Поэтому при подсоединении этих линий к одному входу (фиг.4) отраженные сигналы, имеющие противоположные знаки, компенсируют друг друга (фиг.7), что приводит к уменьшению КСВ в полосе пропускания устройства (фиг.8).

Следует отметить, что условия распространения волны вдоль линий АР, а следовательно, и коэффициенты передачи от входа до излучающих элементов остаются такими же, как у прототипа.

Использование предлагаемого изобретения в линейных антенных решетках позволяет увеличить полосу согласования и получить любой КНД при любом количестве излучателей N, построить делители и сумматоры мощности на любое число нагрузок, а также антенно-фидерные тракты, узлы, излучатели с широкой полосой пропускания.

Использование: антенно-фидерная техника. Сущность изобретения: линейная излучающая система содержит один вход на две линии возбуждения с элементами излучения. Элементы излучения, расположенные на одинаковых электрических расстояниях от входа, включены относительно один другого обратным образом. Приведены условия для выбора проводимости излучающих элементов. 8 ил.

Линейная излучающая система, имеющая один вход на две линии возбуждения, с расположенными на них элементами излучения, распределенными вдоль линий, отличающаяся тем, что элементы излучения, расположенные на одинаковых электрических расстояниях от входа, включены относительно друг друга обратным образом и их проводимости выбираются из условия:
Y_iX_i G₁G₂
где Y_i, X_i проводимости излучающих элементов;
G₁, G₂ волновые проводимости линий.