АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q13/10 

Изобретение относится к области антенной технологии и может быть использовано в системах спутниковой и наземной связи.

Известна плоская антенна [1] содержащая:
систему полосковых компланарных печатных излучателей, расположенных между двумя слоями из синтетической смолы и поддерживаемых ими, система излучателей образует первую и вторую поверхность; первая поверхность представляет собой раскрыв антенны;
плоскую схему питания, образованную полосками из электрически проводящего материала и расположенную между двумя слоями из синтетической смолы, схема питания поддерживается этими двумя слоями и образует третью и четвертую поверхности, третья поверхность обращена ко второй поверхности; плоский экран образует пятую поверхность, обращенную к четвертой поверхности; первую прокладку, разделяющую систему излучателей и схему питания; вторую прокладку, разделяющую схему питания и экран. Система излучателей имеет электромагнитную связь с полоском схемы питания. Фидерная сеть является симметричной полосковой линией.

С целью исключения вторичных дифракционных максимумов в диаграмме направленности излучатели расположены друг от друга на расстоянии, равном (0,7-0,9)λ, где λ длина волны.

Однако такая антенная решетка имеет большие потери, обусловленные большой протяженностью полосков, большого количества двоичных делителей мощности, трансформаторов полных сопротивлений и изгибов.

Наиболее близкой по технической сущности является антенна, описанная в обзоре "Антенные решетки для приема спутникового телевещания", Зарубежная радиоэлектроника, N 6, 1992, с. 6 или в [2] представляющая собой двухслойную электродинамическую структуру, образованную радиальным волноводом, разделенном металлическим кругом на два слоя, при этом поскольку радиус круга меньше радиуса радиального волновода, то оба слоя радиального волновода электромагнито связаны между собой через кольцевую щель, примерно равную толщине верхнего слоя. В нижнем слое радиального волновода установлен возбуждающий коаксиал, а в верхнем его слое по центру установлен поглощающий цилиндр, который участвует в процессе формирования поля по излучающей апертуре и поглощает часть неизлученной антенной энергии, что создает провал в центре диаграммы направленности и понижает КПД антенны. Кроме того, для получения необходимой жесткости антенны пространство между слоями должно быть заполнено диэлектриком с низкими потерями для придания жесткости металлическому кругу, разделяющему радиальный волновод на два слоя.

Технический эффект данного изобретения состоит в устранении провала в диаграмме направленности, уменьшении потерь и повышении технологичности изготовления антенны.

Данный технический эффект достигается тем, что в известной антенне, содержащей двухслойную электродинамическую структуру, слои которой электромагнитно связаны между собой, причем в одном из слоев установлен возбуждающий коаксиал, а излучающая апертура выполнена частично прозрачной, слои элекродинамической структуры выполнены из прямоугольных волноводов, электромагнитная связь между которыми осуществлена двумя узкими щелями, прорезанными по всей ее длине их общей стенки параллельно боковым стенкам прямоугольного волновода, внешняя сторона стенки которого выполнена в виде частично прозрачной излучающей апертуры, в прямоугольном волноводе с возбуждающим коаксиалом по всей длине прямоугольного волновода и параллельно щелям связи установлены две разнесенные частично прозрачные решетки, причем в центре объема, ограниченного этими решетками, установлен возбуждающий коаксиал и выполнены соотношения

где a_i расстояние щелей связи от боковых стенок прямоугольного волновода с излучающей апертурой;
L размер излучающей апертуры антенны в направлении, перпендикулярном щелям связи;
h постоянная распространения волны в прямоугольном волноводе с возбуждающим коаксиалом;
l_i, i 1, 2 расстояния от частично прозрачных решеток до ближайших щелей связи соответственно;
2b расстояние между прозрачными решетками;
кроме того, излучающая апертура выполнена в виде решетки металлических проводников, перпендикулярных щелям связи; кроме того, излучающая апертура выполнена в виде перфорированной решетки.

На чертеже представлен поперечный разрез в проекции антенны, где: 1 - первый прямоугольный волновод, 2 второй прямоугольный волновод, 3 - возбуждающий коаксиал, 4 частично прозрачные решетки, 5 узкие щели связи, 6 излучающая апертура. Прямоугольные волноводы 1, 2 связаны друг с другом через узкие щели связи 5, прорезанные в их общей стенке по всей ее длине параллельно боковым стенкам первого волновода 1 на расстоянии равном L/4, где L длина апертуры антенны, перпендикулярная щелям связи. Толщина первого волновода (L) = λ_изл/4, λ_изл длина излучаемой волны. В центре объема, ограниченного полупрозрачными решетками во втором волноводе 4, установлен возбуждающий коаксиал 3. Расстояние между частично прозрачными решетками удовлетворяет соотношению h × 2b = mΠ где m 1, 3, 5. Кроме того, во втором прямоугольном волноводе 2 выполнено соотношение h (l₁-l₂)= mΠ, h постоянная распространения волны во втором волноводе; 1_i, где i 1, 2 расстояние от частично прозрачных решеток до ближайших щелей соответственно. Частично прозрачные решетки 4 установлены во втором волноводе 2 по всему поперечному сечению и параллельно щелям связи 5. Толщина прямоугольного волновода <λ_изл/4.
Антенна, например, в режиме передачи, работает следующим образом. Возбуждающий коаксиал 3 создает в объеме, ограниченном прозрачными решетками 4, стоячее электромагнитное поле, которое просачивается через эти решетки в виде волны H₁₀ и возбуждает узкие щели связи 5, при этом поскольку выполнено соотношение h (l₁-l₂)= nΠ, то поля на щелях находятся в противофазе относительно друг друга, что обеспечивает синфазность возникающего на щелях электрического поля E_x, которое в первом объемном проходном резонаторе возбуждает электромагнитное поле, колеблющееся между его основанием и излучающей апертурой 6, это линейно поляризованное поле через эту апертуру 6 излучается во внешнее пространство.

Антенна прошла экспериментальную проверку. Излучающая апертура имела квадратную форму с размерами L•L 100 х 100 мм и представляла собой частую ленточную решетку, нанесенную на слой диэлектрика (ФАФ-4) с величиной прозрачности ρ 0,12. Связь величины прозрачности с геометрическими параметрами решетки определялась по формуле r = - (p/λ)ln[sin (πq/r)], где p период, q - коэффициент заполнения решетки. Ширина узких щелей связи ≅ 0,01 λ_изл. Рабочая длина волны λ_изл= 40,54 мм. Прозрачность частично прозрачных решеток равна также 0,12. Рабочая полоса частот антенны 2,5% Поскольку верхний прямоугольный волновод и часть нижнего волновода, ограниченная частично прозрачными стенками образует систему проходных объемных резонаторов со связью несколько более критической, то КСВН в ней является равномерным, что упрощает конструкцию приемопередающей аппаратуры. Поскольку в антенне значения прозрачностей излучающей апертуры и полупрозрачных решеток выбраны ρ≅ 0,12, то уровень паразитного излучения мал (<< 28 дБ), и поэтому излучающая апертура может быть существенно увеличена до величин порядка 5λ.

Машинный эксперимент показал, что при r 0,05 уровень мощности ближайшей паразитной волны еще меньше (<<40 дБ), что происходит за счет увеличения частотной избирательности, т.е. уменьшения полосы пропускания антенны и следовательно антенна может быть использована в системах с повышенной помехозащищенностью.

Использование: изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в системах спутниковой и наземной связи. Сущность изобретения: технический эффект данного изобретения состоит в устранении провала в диаграмме направленности, уменьшении потерь и повышении технологичности изготовления антенны. Данный технический эффект достигается тем, что в известной антенне, содержащей двухслойную электродинамическую структуру, слои которой электромагнитно связаны между собой, причем в одном из слоев установлен возбуждающий коаксиал, а излучающая апертура выполнена частично прозрачной, слои электродинамической структуры выполнены из прямоугольных волноводов, электромагнитная связь между которыми осуществлена двумя узкими щелями, прорезанными по всей ее длине их общей стенки параллельно боковым стенкам прямоугольного волновода, внешняя сторона стенки которого выполнена в виде частично прозрачной излучающей апертуры, в прямоугольном волноводе с возбуждающим коаксиалом по всей длине прямоугольного волновода и параллельно щелям связи установлены две разнесенные частично прозрачные решетки, причем в центре объема, ограниченного этими решетками установлен возбуждающий коаксиал и выполнены соотношения

где a_i - расстояние щелей связи от боковых стенок прямоугольного волновода с излучающей апертурой;
L - размер излучающей апертуры антенны в направлении, перпендикулярном щелям связи;
h - постоянная распространения волны в прямоугольном волноводе с возбуждающим коаксиалом;
l_i, i = 1, 2 - расстояния от частично прозрачных решеток до ближайших щелей связи соответственно;
2b - расстояние между прозрачными решетками. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Антенна, содержащая двуслойную электродинамическую структуру, слои которой электромагнитно связаны между собой, причем в одном из слоев установлен возбуждающий коаксиал, а излучающая апертура выполнена частично прозрачной, отличающаяся тем, что слои электродинамической структуры выполнены из прямоугольных волноводов, электромагнитная связь между которыми осуществлена двумя узкими щелями, прорезанными по всей длине их общей стенки параллельно боковым стенкам прямоугольного волновода, внешняя широкая стенка которого выполнена в виде частично прозрачной излучающей апертуры, в прямоугольном волноводе с возбуждающим коаксиалом по всей длине прямоугольного волновода и параллельно щелям связи установлены две разнесенные частично прозрачные решетки, причем в центре объема, ограниченного этими решетками установлен возбуждающий коаксиал, причем в антенне выполнены соотношения
а_i L/4, i 1, 2;
;
h × 2b = mπ, m 1,3,5,
где а_i расстояния щелей связи от боковых стенок прямоугольного волновода с излучающей апертурой;
L размер излучающей апертуры антенны в направлении, перпендикулярном щелям связи;
h постоянная распространения волны в прямоугольном волноводе с возбуждающим коаксиалом;
I_i, i 1,2 расстояния от частично прозрачных решеток до ближайших щелей связи соответственно;
2b расстояние между прозрачными решетками. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что излучающаяся апертура выполнена в виде решетки металлических проводников, перпендикулярных щелям связи. 3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что излучающая апертура выполнена в виде перфорированной решетки.