АНТЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2000 года по МПК H01Q13/20 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи, в том числе для приема сигналов спутникового телевидения.

Известны антенны для приема ТВ сигналов со спутников (см., например, Корчагин Ю.А. "Индивидуальный прием спутникового ТВ" Воронеж, 1990, с. 67, 68. , пат. РФ N 2046472, МКИ H 01 Q 13/20, БИ N 29, 1995 г.)
Из известных наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является антенная система, содержащая диэлектрические излучатели и фидерный блок, выполненный в виде отрезков волноводов, при этом в одних концах отрезков волноводов установлены подвижные короткозамыкатели, а их другие концы посредством блока распределения мощности присоединены к общему фидеру, диэлектрические излучатели включены в каждый отрезок волновода (см. пат. РФ N 2046472, МКИ H 01 Q 13/20). Антенна обеспечивает некоторое повышение Ку и КПД при простоте конструкции.

Однако известная конструкция антенны имеет ограничения рабочего диапазона частот и недостаточно высокие Ку и КПД. Это обусловлено наличием короткозамыкающих поршней, установленных в отрезках волноводов фидерного блока, а также тем, что волноводные плечи антенны работают в режиме стоячей волны, что увеличивает потери сигнала в антенне.

Задачей, на решение которой направлено предложенное устройство, является повышение Ку и КПД с одновременным расширением рабочего диапазона частот.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в антенной системе, содержащей диэлектрические излучатели и фидерный блок, включающий волноводные плечи и блок распределения мощности, соединенный с общим фидером, при этом излучатели установлены на каждом волноводном плече так, что их оси расположены перпендикулярно продольной оси плеча, фидерный блок выполнен в виде N однотипных элементов, где N - целое положительное число, каждый из которых содержит по крайней мере одно волноводное плечо и основной блок распределения мощности, при этом один выход волноводного плеча соединен с первым входом блока распределения мощности, другой выход - с вторым входом упомянутого блока, выход которого присоединен к общему фидеру, а диэлектрические излучатели размещены на прямолинейном участке волноводного плеча.

Каждый из N элементов может содержать по крайней мере одно дополнительное волноводное плечо, первый и второй дополнительные блоки распределения мощности, при этом прямолинейные участки основного и дополнительного волноводных плечей расположены параллельно друг другу на расстоянии L = kλ/2, где λ - рабочая длина волны в свободном пространстве, k=2m, либо k=2m-1, где m=1, 2, ..., первые выходы основного и дополнительного волноводных плечей соединены с соответствующими входами первого дополнительного блока распределения мощности, а вторые выходы основного и дополнительного волноводных плечей - с соответствующими входами второго дополнительного блока распределения мощности, причем выходы дополнительных блоков распределения соединены с соответствующими входами основного блока распределения мощности.

Диэлектрический излучатель может содержать устройство связи с волноводом, выполненное в виде металлической пластины, один конец которой закреплен в теле излучателя, а другой конец через окно связи введен в волновод и имеет Т- образную форму.

На продольной оси узкой стенки каждого волноводного плеча установлены электропроводящие штыри по числу диэлектрических излучателей, при этом конец штыря, размещенный внутри волновода, имеет Г-образный выступ, продольная ось которого расположена под углом к боковой поверхности соответствующего излучателя.

Предусмотрена возможность подстройки параметров антенны для достижения оптимизированных характеристик, например, за счет возвратно-поступательного перемещения электропроводящего штыря.

Технический результат выражается в повышении Kу и КПД с одновременным расширением рабочего диапазона частот за счет того, что в предложенной конструкции антенны волноводные плечи работают в режиме бегущей волны, и, кроме того, исключается использование короткозамыкающих устройств в волноводных плечах фидерного блока.

На фиг. 1 изображена предлагаемая антенная система, на фиг. 2 - вариант исполнения антенны, на фиг. 3 - конструкция волноводного плеча, где а) - участок волноводного плеча с установленными на нем элементами; б) - разрез плеча по А-А; в) - разрез плеча по Б-Б (продольный разрез диэлектрического излучателя).

Антенная система содержит диэлектрические излучатели 1 и фидерный блок, выполненный в виде N однотипных элементов 2, каждый из которых имеет волноводное плечо 3 (см. фиг. 1)/ На прямолинейном участке волноводного плеча 3 на расстоянии S = pλ_в друг от друга, где λ_в - длина волны в волноводе, p = 1, 2, ..., установлены диэлектрические излучатели 1, оси которых перпендикулярны продольной оси волноводного плеча, представляющего собой металлический волновод. Один выход 4 волноводного плеча 3 соединен с первым входом 5 основного блока 6 распределителя мощности, а другой выход 7 - с вторым входом 8 блока 6. Выход 9 блока 6 распределения мощности подключен к общему фидеру (не показан).

Каждый элемент 2 может содержать по крайней мере одно дополнительное волноводное плечо 10 (см. фиг.2), установленное параллельно основному плечу 3 на расстоянии L = kλ/2, где λ - рабочая длина волны в свободном пространстве, k=2m, либо k=2m-1, где m=1, 2, ... В этом случае выходы 4 и 11 соответственно волноводного плеча 3 и дополнительного плеча 10 подключены к соответствующим входам 12, 13 первого дополнительного блока 14 распределения мощности, а выход 7 плеча 3 и выход 15 плеча 10 - к соответствующим входам 16, 17 второго дополнительного блока 18 распределения мощности. Выходы 19, 20 дополнительных блоков 14, 18 распределения мощности соединены соответственно с входами 5, 8 основного блока 6 распределения мощности, выход 9 которого подключен к общему фидеру (не показан).

На продольной оси узкой стенки волноводных плечей 3, 10 установлены электропроводящие штыри 21 у каждого диэлектрического излучателя 1 соответственно. Конец штыря 21, размещенный внутри волновода, имеет Г-образный выступ 22 (см. фиг. 3), продольная ось которого расположена под углом к боковой поверхности соответствующего излучателя 1.

Диэлектрические излучатели 1 имеют устройство связи с волноводом (волноводным плечом), выполненное в виде металлической пластины 23, один конец которой закреплен в теле излучателя 1, а другой - через окно связи 24 введен в волновод и имеет Т-образную форму.

Блоки распределения мощности как основной 6, так и дополнительные 14, 18, могут быть выполнены, например, в виде направленного ответвителя или щелевого моста, согласованного тройника, и выполняют роль волноводного сумматора.

Диэлектрические излучатели 1 представляют собой сплошные или трубчатые диэлектрические стержни, форма, размеры и электрические параметры которых рассчитываются по известной методике (см., например, Власов В.И., Берман В. И. "Проектирование узлов РЛС". Л., Судпромгиз, 1961 г., с.150-159; Драбкин А. Л. и др. "Антенно-фидерные устройства". М., Сов. радио, 1974 г., с.393-398; Сергеев В.И., Сосунов В.А. "Приемные антенны сантиметрового диапазона". СГТИ, Саратов, 1977 г., с.28-44).

Антенная система работает следующим образом.

Электромагнитное поле падающей волны в каждом диэлектрическом излучателе 1 наводит поверхностную волну, которая распространяется вдоль диэлектрического стержня излучателя в направлении к волноводу, и через окно связи 24 в узкой стенке волноводного плеча 3(10) возбуждает в нем доминантные волны типа H₁₀, равные по амплитуде и распространяющиеся в волноводном плече в противоположных направлениях.

При выбранном расположении диэлектрических излучателей 1 относительно друг друга (кратном длине волны в волноводе), на выходах каждого волноводного плеча (3, 10) будут иметь место сигналы, равные сумме сигналов от каждого диэлектрического излучателя 1.

Для антенной системы, в которой каждый элемент 2 содержит одно волноводное плечо (фиг.1), эти сигналы с выходов 4, 7 волноводного плеча 3 поступают на соответствующие входы 5, 8 блока 6 распределения мощности, где они суммируются, и на выходе 9 блока 6 сигнал равен сумме сигналов с выходов волноводного плеча 3.

Для случая, когда элемент 2 содержит несколько волноводных плечей (фиг. 2), сигналы с выходов плечей 3 и 10 поступают на соответствующие входы дополнительных блоков 14 и 18 распределителей мощности, выходы 19, 20 которых соединены с входами 5, 8 основного блока 6 распределения мощности, на выходе 9 которого сигнал равен уже сумме суммарных сигналов соответствующих выходов волноводных плечей 3, 10.

Предложенная конструкция антенной системы позволяет осуществить работу волноводных плечей в режиме бегущей волны и повысить Ку и КПД, расширить рабочий диапазон частот.

Действительно, сигнал, возбуждаемый диэлектрическим излучателем 1 в металлическом волноводе (волноводные плечи 3, 10), делится на два равных сигнала, которые распространяются в каждом волноводном плече в противоположные стороны к соответствующим выходам плеча. Проходя через окна связи 24 (места соединения), сигнал частично ответвляется в диэлектрический излучатель 1 и частично отражается от этого соединения.

С учетом отражения сигнала и его частичного ответвления в излучатели величина сигналов на выходах волноводного плеча в режиме бегущей волны может быть записана в виде

где E₀ - амплитуда сигнала на выходе диэлектрического волновода (излучателя);
α - коэффициент передачи по мощности из металлического волновода в диэлектрический;
γ - коэффициент отражения соединения по мощности в металлическом волноводе;
n - число соединений.

Эти сигналы поступают на входы основного блока 6 распределения мощности, и в идеальном случае на его выходе в режиме бегущей волны величина сигнала E_σв составляет
E_σв= 2E_сум.
В известном же устройстве (прототипе) к одному из выходов волноводного плеча подключен короткозамыкатель, и на его открытом выходе в режиме стоячей волны величина сигнала E_CB в лучшем случае будет

Уровень сигнала E_бв в случае режима бегущей волны больше уровня сигнала E_CB т.к.

Кроме того, увеличение КПД достигается за счет более эффективной связи волны HE₁₁, распространяющейся в диэлектрическом излучателе, с волной H₁₀ металлического волновода. Это обеспечивается за счет более эффективного возбуждения поля в области окна связи 24 с помощью штыря 21, расположенного на узкой стенке волноводного плеча (3, 10). Г-образный выступ на конце штыря 21, расположенный внутри волновода, обращен к окну связи под углом, изменяя который можно обеспечить оптимальное распределение поля в области окна связи, увеличив тем самым КПД. Влияние высших типов волн, возбуждаемых штырем, на поле соседнего окна связи незначительно в силу их экспоненциального затухания вдоль оси металлического волновода.

Конструкция устройства связи диэлектрического излучателя с волноводным плечом также обеспечивает более сильную связь поля H₁₀ с волной HE₁₁.

Режим "бегущей волны" в волноводных плечах 3, 10 антенной системы расширяет диапазон рабочих частот по сравнению с прототипом, где волноводные плечи работают в режиме "стоячей волны".

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи для приема сигналов спутникового телевидения. Техническим результатом является повышение Ку и КПД, расширение рабочего диапазона частот. Антенная система содержит диэлектрические излучатели и фидерный блок, выполненный в виде N однотипных элементов, содержащих одно или несколько волноводных плечей, основной и дополнительные блоки распределения мощности. Диэлектрические излучатели установлены на прямолинейных участках волноводных плечей так, что их оси расположены перпендикулярно продольной оси плеча, при этом прямолинейные участки основного и дополнительных плечей расположены параллельно друг другу на расстоянии, кратном λ/2, λ - длина волны в свободном пространстве. Выходы основного и дополнительного плечей через соответствующие дополнительные блоки распределения мощности подключены к основному блоку распределения мощности, выход которого соединен c общим фидером. Каждый диэлектрический излучатель имеет устройство связи с волноводом, выполненное в виде металлической пластины, а на продольной оси волноводных плечей по числу излучателей установлены электропроводящие штыри. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Антенная система, содержащая диэлектрические излучатели и фидерный блок, включающий волноводные плечи и блок распределения мощности, соединенный с общим фидером, при этом диэлектрические излучатели установлены на каждом волноводном плече так, что их оси расположены перпендикулярно продольной оси волноводного плеча, отличающаяся тем, что фидерный блок выполнен в виде N однотипных элементов, где N целое положительное число, каждый из которых содержит по крайней мере одно волноводное плечо и основной блок распределения мощности, при этом один выход волноводного плеча соединен с первым входом блока распределения мощности, другой выход - со вторым входом упомянутого блока, выход которого присоединен к общему фидеру, а диэлектрические излучатели размещены на прямолинейном участке волноводного плеча. 2. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что каждый из N однотипных элементов содержит по крайней мере одно дополнительное волноводное плечо, первый и второй дополнительные блоки распределения мощности, при этом прямолинейные участки основного и дополнительного волноводных плечей расположены параллельно друг другу на расстоянии, L = kλ/2, где λ -рабочая длина волны в свободном пространстве, k = 2m, либо k = 2m - 1, где m = 1,2,..., первые выходы основного и дополнительного волноводных плечей соединены с соответствующими входами первого дополнительного блока распределения мощности, а вторые выходы основного и дополнительного волноводных плечей - с соответствующими входами второго дополнительного блока распределения мощности, причем выходы дополнительных блоков распределения мощности соединены с соответствующими входами основного блока распределения мощности. 3. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что каждый диэлектрический излучатель содержит устройство связи с волноводным плечом, выполненное в виде металлической пластины, один конец которой закреплен в теле диэлектрического излучателя, а другой конец через окно связи введен в волноводное плечо и имеет Т-образную форму. 4. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что на продольной оси узкой стенки каждого волноводного плеча установлены электропроводящие штыри по числу диэлектрических излучателей, при этом конец электропроводящего штыря, размещенный внутри волноводного плеча, имеет Г-образный выступ, продольная ось которого расположена под углом к боковой поверхности соответствующего диэлектрического излучателя.