ОБЛУЧАТЕЛЬ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ Российский патент 1997 года по МПК H01Q13/00 

Изобретение относится к антенной технике и может использоваться в качестве облучателя однозеркальных параболических антенн космических аппаратов.

Известны конструкции антенн, которые могут быть использованы в качестве облучателей параболических антенн (патенты США N 3434166 и N 4636798, кл. 343 753). Эти облучатели представляют собой открытый конец круглого волновода с фланцем.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является конструкция облучателя (патент США N 4636798 прототип), которая представляет собой открытый конец круглого волновода с импедансным фланцем, в апертуре волновода установлена диэлектрическая линза в форме полутора. Диэлектрическая линза расширяет диаграмму направленности (ДН) и придает ей форму, близкую к столообразной, что позволяет использовать ее в качестве облучателя зеркальных антенн с укороченным фокусным расстоянием.

Однако ДН известного облучателя не в достаточной степени приближена к идеальной диаграмме облучения главного зеркала параболических антенн, что приводит к снижению коэффициента использования поверхности (КИП) зеркальных антенн. Кроме того, данный облучатель не позволяет получить оптимальное облучение зеркала с углом раскрыва 2Ψ_o≥ 180^°, что не позволяет использовать короткофокусные зеркальные антенны, которые имеют минимальные габариты и вес.

Технический результат заключается в повышении эффективности облучения зеркала короткофокусной параболической антенны за счет формирования диаграммы облучения близкой к идеальной.

Для этого в известной антенне, имеющей круглый волновод с фланцем и диэлектрическую линзу, последняя выполнена в виде цилиндра с коническим углублением, вершина которого направлена к открытому концу волновода, в котором размещен диэлектрический стержень, непосредственно связанный с линзой.

На фиг.1 изображен предлагаемый облучатель. Он состоит из круглого волновода 1 с волной H₁₁, металлического фланца 2, который может иметь как плоскую, так и импедансную поверхность, и диэлектрической линзы 3, которая имеет продолжение внутрь волновода.

В данной конструкции используется явление отражения и преломления электромагнитных волн на границе раздела 2-х диэлектриков.

Электромагнитная волна, распространяясь из среды оптически более плотной и в менее плотную, претерпевает полное внутреннее отражение на диэлектрическом конусе, что позволяет сформировать ДН антенны с провалом по оси.

Из законов геометрической оптики угол раствора максимумов 2ν диаграммы направленности облучателя определяется углом при вершине конуса v_к 2ν = 2Φ_к. Наибольшее значение КИП достигается при угле раствора 2ν максимумов в диаграмме облучения
2ν = 2Ψ_o- 20^°
где 2Ψ_o угол раскрыва зеркала антенны, в которой устанавливается данный облучатель.

Поэтому угол при вершине конуса определяется по формуле

Чтобы волна претерпевала полное внутреннее отражение на конусе, необходимо, чтобы материал, из которого изготовлена линза, имел относительную диэлектрическую проницаемость ε большую, чем e_min, где ε_min определяется по формуле

где
Облучатель данной конструкции целесообразно использовать в зеркальных антеннах с углом раскрыва 2ψ ≥ 140^°. Увеличивать этот угол свыше 240^o нецелесообразно, т.к. при этом снижается КИП. Поэтому в соответствии с формулой (1) угол Φ_к практически лежит в пределах 60^°≅ Φ_к≅ 110^°.

Диаметр конуса d_к должен быть больше диаметра круглого волновода, т.е. d_к≥ 0,7λ (лямбда рабочая длина волны). Увеличивать d_к больше 2λ не имеет смысла, т.к. это приведет к росту диэлектрических потерь и массы, практически не увеличивая степень взаимодействия линзы с полем.

Для придания линзе достаточной механической прочности ее диаметр d целесообразно выбрать на 2 5 мм больше диаметра конуса d_к. Высота линзы h определяется по формуле

При больших значениях угла при вершине конуса Φ_к>70^°, значительно возрастает уровень заднего излучения облучателя.

Для уменьшения утечки энергии за края зеркала путем уменьшения уровня заднего излучения облучателя предлагается конструкция диэлектрической линзы в виде усеченного конуса (фиг.2). Экспериментально установлено, что если угол наклона образующей конуса составляет 15 30^o (фиг. 2), то уровень заднего излучения облучения уменьшается на 3 5 дБ. Диэлектрическая линза имеет возможность перемещаться вдоль оси волновода, что позволяет управлять формой ДН облучателя в широких пределах. При выдвижении диэлектрической линзы из волновода на величину больше (2÷3)λ, антенна будет подобна диэлектрической стержневой антенне, т.е. антенне осевого излучения.

При погружении линзы в волновод она работает как рассеивающая структура, что позволяет регулировать глубину "провала" ДН по оси. Линза, входящая в конструкцию облучателя, изготовлена из высокочастотного диэлектрика (ε = 2,56).

Угол при вершине конического углубления Φ_к= 80^°, диаметр d_к= 1,1λ, угол α = 15^°.

Использование: антенная техника. Сущность изобретения: облучатель параболической антенны состоит из открытого конца круглого волновода с фланцем и диэлектрической линзы в виде тела вращения, при этом в диэлектрической линзе вдоль ее оси выполнено углубление в виде конуса, основание которого совмещено с плоскостью раскрыва, причем его диаметр d_к выбран из соотношения 0,7λ ≅ d_к≅ 2λ , где λ - рабочая длина волны, а угол Φ_к при вершине конуса - из соотношения 60^o≅ Φ_к ≅110^o. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Облучатель параболической антенны, состоящий из открытого конца круглого волновода с фланцем и диэлектрической линзой, в виде тела вращения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности формирования столообразной ДН, в диэлектрической линзе вдоль ее оси выполнено углубление в виде конуса, основание которого совмещено с плоскостью раскрыва, причем его диаметр d_k выбран из соотношения 0,7λ ≅ d_k ≅ 2λ, где λ - рабочая длина волны, а угол Φ_k при вершине конуса из соотношения 60≅ Φ_k ≅ 110^°
2. Облучатель по п.1, отличающийся тем, что тело вращения представляет собой цилиндр высотой и диаметром d ≈ d _к
3. Облучатель по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения уровня заднего излучения тело вращения представляет собой усеченный конус, угол α наклона образующей которого к оси выбран из соотношения 15≅ α ≅ 30^°, а высота
4. Облучатель по пп.1 3, отличающийся тем, что, с целью регулирования ДН, диэлектрическая линза установлена с возможностью ее перемещения вдоль оси.