АНТЕННА Российский патент 2004 года по МПК H01Q1/38 H01Q9/28 

Данное изобретение относится к области радиотехники, в частности к сверхширокополосным антеннам СВЧ-диапазона, и может найти применение как отдельная антенна, так и в составе фазированных антенных решеток для метрологии, систем связи, радиодефектоскопии и радиомониторинга.

Известна антенна (патент Англии №1601441, кл. МКИ Н 01 Q 13/20, НКИ H 1 Q, 1981 г.), выполненная в виде печатной симметричной щелевой линии, экспоненциально расширяющейся от входной линии передачи к раскрыву антенны. Переход с симметричной щелевой линии на коаксиальную линию осуществляется через микрополосковую линию, установленную ортогонально по отношению к симметричной щелевой линии и расположенную на другой стороне диэлектрической подложки. Для расширения полосы пропускания в боковых кромках экспоненциально расширяющейся поверхности симметричной щелевой линии выполняются прямоугольные вырезы. Недостатком такой антенны является значительная неравномерность характеристики согласования (КСВ) в рабочей полосе частот, значительный уровень кросполяризационной составляющей поля, низкий уровень предельной мощности.

Наиболее близким техническим решением-прототипом является антенна (патент США №5278575, кл. МКИ Н 01 Q 9/28, НКИ 343/795, 1994 г.), содержащая две одинаковые металлические пластины, расположенные со смещением одна над другой, причем боковые кромки лежат на одной плоскости, перпендикулярной металлическим пластинам. От точки, лежащей на одной плоскости к краю металлические пластины выполнены экспоненциально расширяющимися, а к боковой кромке, расположенной на одной плоскости одной из металлических пластин, подключен центральный проводник отрезка входной линии передачи, а земляной проводник подключен к другой металлической пластине.

Недостатками известного технического решения являются значительный уровень боковых лепестков (БЛ) и обратного излучения антенны, высокий уровень неравномерности характеристики согласования (КСВН) в рабочей полосе частот, значительный уровень кросполяризационной составляющей электрического поля, невозможность формирования линейной фазочастотной характеристики, отрезок входной линии передачи выполнен на несимметричной линии.

Технической задачей данного изобретения является создание антенны с низким уровнем БЛ и незначительным уровнем обратного излучения, с высоким уровнем согласования во всем рабочем диапазоне частот, с низким уровнем кросполяризационной составляющей поля, с линейной фазочастотной характеристикой, с переходом от антенны на отрезок входной линии передачи симметричной конструкции.

Поставленная задача решается тем, что в антенне, содержащей первую и вторую основные металлические пластины одинаковых размеров, размещенные в прямоугольной системе координат, и отрезок входной линии передачи, при этом поверхности первой и второй основных металлических пластин установлены параллельно второй координатной плоскости и размещены в нижней и верхней полуплоскостях относительно третьей координатной плоскости соответственно, а координатная линия, соответствующая пересечению второй и третьей координатных плоскостей, является продольной осью антенны, при этом поверхности первой и второй основных металлических пластин первыми боковыми кромками со стороны третьей координатной плоскости в направлении продольной оси антенны на первом отрезке от первой координатной поверхности до первой координатной плоскости выполнены расширяющимися, причем точки начала первой боковой кромки поверхности расширения первой и второй основных металлических пластин, соответственно, расположены на прямой пересечения третьей координатной плоскости с первой координатной поверхностью, а точки окончания первой боковой кромки поверхности расширения первой и второй основных металлических пластин, соответственно, расположены на первой координатной плоскости, при этом на втором отрезке вдоль продольной оси антенны от первой координатной поверхности до второй координатной поверхности первые боковые кромки расположены на третьей координатной плоскости, и на втором отрезке к первой боковой кромки первой основной металлической пластины подсоединен отрезок основной входной линии передач, причем плоскость симметрии первой основной металлической пластины совмещена со второй координатной плоскостью, а вторая основная металлическая пластина установлена с зазором S относительно первой основной металлической пластины, при этом поверхность первой и второй основных металлических пластин со стороны вторых боковых кромок, противоположных первым боковым кромкам соответственно, вдоль продольной оси антенны в направлении от первой координатной плоскости до второй координатной поверхности выполнены расширяющимися.

Антенна структурно представляет собой две плоскопараллельные металлические пластины, расположенные в верхней и нижней полуплоскостях соответственно, и разделены зазором, образуя тем самым несимметричную щелевую линию (НЩЛ) без перекрытия (Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. - М.: Наука, 1985, 256 с.). Излучающая часть антенны представляет собой неоднородную, секторного типа двухуровневую несимметричную щелевую линии (ДНЩЛ) без перекрытия, которая сужается от раскрыва антенны (первая координатная плоскость) до точки с нулевым перекрытием ДНЩЛ (первая координатная поверхность), когда первые боковые кромки первой и второй основных металлических пластин, образующих ДНЩЛ, находятся друг против друга. От первой координатной поверхности до второй координатной поверхности вдоль продольной оси антенны первая и вторая основные металлические пластины представляют собой ДНЩЛ без перекрытия и к первой боковой кромке первой основной металлической пластины подсоединен центральный проводник отрезка входной линии передачи, а поверхность второй основной металлической пластины является земляным проводником. Входной линией передачи может быть, например, отрезок полосковой линии, а вторая основная металлическая пластина - земляным проводником, в результате получаем несимметричную полосковую линию (НПЛ). А поверхности первой и второй основных металлических пластин со стороны вторых боковых кромок, противоположных первым боковым кромкам соответственно, вдоль продольной оси антенны в направлении от первой координатной плоскости до второй координатной поверхности выполнены расширяющимися.

Таким образом, антенна представляет собой последовательное согласованное соединение двух типов ДНЩЛ: ДНЩЛ без перекрытия, от максимального раскрыва (первая координатная плоскость) до точки с нулевым перекрытием (первая координатная поверхность), которая переходит в ДНЩЛ с нулевым перекрытием. В области перехода происходит одновременно трансформация волны волноводного типа Н₁₀ в ДНЩЛ без перекрытия в волну волноводного типа Н₁₀ в ДНЩЛ с нулевым перекрытием с соответствующей трансформацией импедансов. В месте подключения входной линии передачи (возбуждающего устройства) происходит согласованная трансформация волны волноводного типа Н₁₀ в ДНЩЛ без перекрытия в квази-ТЕМ волну.

Выполнение поверхности первой и второй основных металлических пластин со стороны вторых боковых кромок расширяющимися позволяет формировать на поверхности и краях пластин со стороны вторых боковых кромок и боковых кромок со стороны второй координатной поверхности минимальную поверхностную плотность электрического тока при требуемом законе распределения по поверхности, что обеспечивает антенне низкий уровень БЛи незначительный уровень обратного излучения.

Антенна может быть выполнена с введением второй дополнительной металлической пластины, идентичной второй основной металлической пластине, которая размещена в верхней полуплоскости второй координатной плоскости и установлена симметрично второй основной металлической пластине относительно второй координатной плоскости.

Структурно антенна представляет собой три плоскопараллельные металлические пластины, разделенные одинаковыми зазорами, что соответствует полной геометрической и электрической симметрии антенны относительно первой основной металлической пластины. Излучающая часть антенны представляет собой неоднородную, секторного типа, трехуровневую несимметричную щелевую линию (ТНЩЛ) без перекрытия, которая плавно сужается от максимального раскрыва (первая координатная плоскость) до точки с нулевым перекрытием (первая координатная поверхность) и переходит в ТНЩЛ с нулевым перекрытием. В области перехода происходят одновременно трансформация волны волноводного типа Н₁₀ в ТНЩЛ без перекрытия в волну волноводного типа Н₁₀ в ТНЩЛ с нулевым перекрытием и соответствующая трансформация импедансов. Таким образом антенна представляет собой последовательный модо-импедансный трансформатор. В месте подключения входной линии передачи (возбуждающего устройства), выполненного на отрезке полосковой линии, происходит согласованная трансформация волны волноводного типа Н₁₀ в ТНЩЛ без перекрытия в ТЕМ волну симметричной полосковой линии (СПЛ), где вторая основная и дополнительная металлические пластины образуют земляные поверхности.

Расположение основной металлической пластины симметрично относительно второй основной и дополнительной металлических пластин позволяет уменьшить уровень кроссполяризационной составляющей электрического поля, а в области перехода с ТНЩЛ на СПЛ свести к минимуму возможность возбуждения и распространения высших типов волн и поверхностных волн, что значительно улучшает характеристики согласования антенны в полосе рабочих частот.

Антенна может быть выполнена с введением первой дополнительной металлической пластины, идентичной первой основной металлической пластине, которая размещена в нижней полуплоскости второй координатной плоскости и установлена между первой основной и второй дополнительной металлическими пластинами на расстоянии d от первой основной металлической пластины, причем первая дополнительная металлическая пластина установлена относительно второй дополнительной металлической пластины идентично установки первой основной металлической пластины относительно второй основной металлической пластины, при этом введен дополнительный отрезок входной линии передачи, идентичный отрезку входной линии передачи, который подсоединен к первой дополнительной металлической пластине идентично подсоединению отрезка входной линии передачи к первой основной металлической пластине. Таким образом получаем симметричную структуру относительно координатной поверхности, проходящей посередине между первой основной и первой дополнительной металлическими пластинами.

Введение первой дополнительной металлической пластины образует четырехуровневую плоскопараллельную структуру, обладающую полной геометрической симметрией относительно координатной поверхности, проходящей посередине между первой основной и дополнительной металлическими пластинами, а основной и дополнительный отрезки входной линии передачи образуют высокодобротную полосковую линию (ВДПЛ). В результате этого первой основной и дополнительной металлическим пластинам при возбуждении обеспечиваются одинаковые потенциалы, что эквивалентно размещению между ними магнитной стенки. Поэтому полная структура антенны - это четыре плоскопараллельные металлические пластины, разделенные в плоскости d/2 магнитной стенкой, разделяющей структуру на две излучающие пары пластин: первая пара - первая и вторая основные металлические пластины; вторая пара - первая и вторая дополнительные металлические пластины. Для выполнения электрической симметрии парных металлических пластин необходимо выбирать размер d, равным 2S. Излучающая часть антенны представляет собой две идентичные синфазно возбуждаемые излучающие структуры разделенные между собой магнитной стенкой, а каждая структура - ДНЩЛ, - аналогичная структуре антенны п.1 формулы изобретения. Полосковые проводники отрезков входных линий передачи образуют структуру ВДПЛ в режиме четного возбуждения (Е.И.Нефедов, В.В.Козловский, А.В.Згурский. Микрополосковые излучающие и резонансные устройства. - К.: Тэхника, 1990, 160 с.). Таким образом, антенна представляет собой последовательный модо-импедансный трансформатор двух разнотипных линий передачи - двух идентичных ДНЩЛ с волной волноводного типа Н₁₀ в ДНЩЛ в ВДПЛ в режиме четного возбуждения волны ТЕМ с одновременной трансформацией импедансов (К.Гупта, Р.Гардж, Р.Чадха. Машинное проектирование СВЧ-устройств. Пер. с англ. под ред. В.Г.Шейнкмана. - М.: Радио и cвязь, 1987, 429 с.),

Четырехуровневая структура излучающей части антенны (апертуры) позволяет: уменьшить уровень БЛ и обратного излучения; уменьшить кроссполяризационную составляющую электрического поля; свести к минимуму возможность возбуждения и распространения высших типов волн и поверхностных волн в области перехода на ВДПЛ, что позволяет значительно улучшить согласование и уменьшить неравномерность характеристики согласования в полосе рабочих частот антенны и уменьшить прямые потери тракта.

Металлические пластины и полосковые проводники входной и дополнительной входной линий передачи могут быть выполнены конечной толщины с креплением пластин полосковых проводников линий передачи, например, на диэлектрических стойках.

Антенна может быть выполнена с законом расширения поверхности каждой металлической пластины со стороны вторых боковых кромок описываемым линейным законом или нелинейным законом.

Нелинейный закон расширения поверхности металлических пластин, например, может быть описан функцией y=ax^±m/n, где а - коэффициент, задается действительным числом; m, n - целые положительные взаимно простые числа, причем m≠n и n>m; x - координата, соответствующая продольной оси антенны (Математическая энциклопедия: Гл. ред. И.М.Виноградов, т.5. Слу – Я. - М.: "Советская Энциклопедия", 1984, стр.215). Данное уравнение описывает кривую параболического вида, ориентированную вдоль продольной оси антенны и имеющую характер вогнутости.

Нелинейный закон расширения поверхности металлических пластин, например, может быть описан функцией y=ae^bx+с^dx, где а, b, с, d - коэффициенты, задаются действительным числом; x - координата, соответствующая продольной оси антенны (Математическая энциклопедия: Гл. ред. И.М.Виноградов. - М.: Советская Энциклопедия, т.4. Ок - Сло. 1984, стр.390). Данное уравнение описывает кривую экспоненциального вида, ориентированную вдоль продольной оси антенны и имеющую характер выпуклости.

Антенна может быть выполнена с законом расширения поверхности металлической пластины, описываемым овалом Кассини. Овал Кассини представляет собой плоскую кривую 4-ого порядка и, например, может быть выполнен в форме эллипсообразного овала или в форме эллипсообразного овала с "талией" (Математическая энциклопедия: Гл. ред. И.М.Виноградов, т.2. Д - Коо. - М.: "Советская Энциклопедия", 1979, стр.759).

Выбор формы поверхности расширения металлических пластин со стороны вторых боковых кромок позволяет оптимизировать распределение плотности электрического тока по поверхности металлических пластин, что обеспечивает минимизировать уровень БЛ и обратного излучения и обеспечить высокий уровень согласования в диапазоне рабочих частот антенны.

Поверхность каждой металлической пластины антенны со стороны второй координатной поверхности, между первой и второй боковыми кромками соответственно, может описываться линейным законом или нелинейным законом.

Выбор формы поверхности в совокупности с формой со стороны второй боковой кромки, которые функционально завязаны между собой, позволяет оптимизировать уровень БЛ и уровень обратного излучения антенны.

Антенна может быть выполнена с законом расширения поверхности первой и второй основных металлических пластин со стороны первых боковых кромок на первом отрезке от первой координатной плоскости до первой координатной поверхности, описываемым линейной функцией, что обеспечивает антенне линейные фазочастотные характеристики. А это позволяет использовать антенну при работе с наносекундными или сверхширокополосными сигналами.

Антенна может быть выполнена с законом расширения поверхности металлических пластин со стороны первых боковых кромок на первом отрезке, описываемым нелинейной функцией.

Нелинейный закон расширения поверхности металлических пластин, например, может быть описан функцией y=ax^±m/n, где а - коэффициент, задается действительным числом; m, n - целые положительные взаимно простые числа, причем m≠n и n>m; x - координата, соответствующая продольной оси антенны. Данное уравнение описывает кривую параболического вида, ориентированную вдоль продольной оси антенны и имеющую характер вогнутости.

Выполнение поверхности расширения металлических пластин по параболическому закону позволяет выделять поддиапазон частот из диапазона рабочих частот антенны с незначительным изменением ширины ДН, высоким уровнем согласования и низким уровнем кроссполяризационной составляющей электрического поля.

Нелинейный закон расширения поверхности металлических пластин, например, может быть описан функцией у=ае^bx+с^dx, где а, b, с, d - коэффициенты, задаются действительным числом; x - координата, соответствующая продольной оси антенны. Данное уравнение описывает кривую экспоненциального вида, ориентированную вдоль продольной оси антенны и имеющую характер выпуклости.

Выполнение поверхности расширения металлических пластин по экспоненциальному закону обеспечивает плавное изменение ширины ДН за счет плавного изменения размера апертуры при высоком уровне согласования во всем диапазоне рабочих частот антенны и низком уровне кроссполяризационной составляющей электрического поля.

Металлические пластины антенны могут быть выполнены в печатном исполнении на диэлектрическом материале, что позволяет упростить конструкцию, а также создавать антенные решетки.

С внешней стороны плоскости, дальней по отношению ко второй координатной плоскости, каждой металлической пластины может быть установлена внешняя диэлектрическая пластина. Установка внешних диэлектрических пластин позволяет корректировать согласование антенны со свободным пространством, позволяет оптимизировать распределение плотности электрического тока по поверхности металлических пластин и тем самым обеспечить высокий уровень согласования, низкий уровень кроссполяризационной составляющей электрического поля, низкий уровень БЛ и низкий уровень обратного излучения антенны.

В плоскости, проходящей посередине между первой и второй основными металлическими пластинами, в направлении от точки начала первой боковой кромки поверхности расширения к первой координатной плоскости, вдоль продольной оси может быть установлена система директорных металлических излучателей.

В плоскости второй координатной плоскости, в направлении от точки начала первой боковой кромки поверхности расширения к первой координатной плоскости антенны, вдоль продольной оси может быть установлена система директорных металлических излучателей.

В плоскости, проходящей посередине между первой основной и первой дополнительной металлическими пластинами антенны, в направлении от точки начала первой боковой кромки поверхности расширения к первой координатной плоскости, вдоль продольной оси может быть установлена система директорных металлических излучателей.

В плоскости, проходящей посередине между первой и второй основными металлическими пластинами антенны, и в плоскости, проходящей посередине между первой основной и первой дополнительной металлическими пластинами, в направлении от точки начала первой боковой кромки поверхности расширения к первой координатной плоскости, вдоль продольной оси могут быть установлены системы директорных металлических излучателей соответственно.

Системы директорных металлических излучателей, установленные внутри апертуры, т.е. в области поверхностей расширения металлических пластин, перед апертурой или комбинированно, внутри и перед апертурой, вносят в апертуру реактивные составляющие и тем самым позволяют формировать требуемое распределение плотности электрического тока по поверхности металлических пластин, оптимизировать уровень БЛ, величину обратного излучения и характеристики согласования, а также регулировать ширину ДН в сторону сужения в определенных поддиапазонах рабочих частот антенны либо отдавать предпочтение одному из перечисленных параметров. Причем системы директорных излучателей, в зависимости от конструктивного выполнения структуры антенны могут быть выполнены в отдельном конструктиве, что позволяет сделать их съемными, и могут выполняться или в объемном, или в печатном исполнении.

Использование диэлектрических материалов для подложек внутреннего и внешнего расположения в различных комбинационных сочетаниях относительной диэлектрической проницаемости позволяет формировать многослойные, с послойно-неоднородным диэлектрическим заполнением, структуры, а размещение диэлектрических пластин с внешней стороны металлических пластин существенно расширяет спектр конструктивных параметров, определяющих электрические характеристики антенны. Конструктивно печатное исполнение металлических пластин позволяет уменьшить продольные и поперечные геометрические размеры антенны, сохранив при этом электрические размеры, обеспечить жесткость конструкции при механических воздействиях, а диэлектрические пластины с внешней стороны металлических пластин могут выполнять роль защитного покрытия (обтекателя) от внешних климатических (на открытом пространстве) и механических воздействий и в условиях агрессивных сред.

В антенне со стороны внешней поверхности одной и другой крайних, по отношению к одной и другой сторонам второй координатной плоскости, металлических пластин может быть установлен Е-плоскостной металлический экран. Использование экрана позволяет сузить ДН в Е-плоскости антенны, уменьшить уровень БЛ и обратного излучения.

В антенне со стороны вторых боковых кромок металлических пластин и перпендикулярно им могут быть установлены Н-плоскостные металлические экраны соответственно. Использование экрана позволяет сузить ДН в Н-плоскости антенны, уменьшить уровень БЛ и обратного излучения.

Установив в антенне одновременно два Е- и два Н-плоскостных металлических экрана и соединив гальванически попарно их соседние боковые кромки, ориентированные вдоль продольной оси антенны, получаем рупор, что позволяет сузить ДН одновременно в Е и Н плоскостях, уменьшить уровень БЛ и обратного излучения, корректировать фазовый фронт волны, повысить коэффициент усиления (КУ) антенны.

Торцевая сторона Е- и Н-плоскостных металлических экранов со стороны второй координатной поверхности может быть закрыта дополнительным металлическим экраном, гальванически соединенным с Е- и Н-металлическими экранами, что позволяет свести к минимуму уровень обратного излучения антенны.

На фиг.1 изображена конструкция антенны, состоящая из двух металлических пластин; на фиг.2 - конструкция антенны, состоящая из трех металлических пластин; на фиг.3 - конструкция антенны, состоящая из четырех металлических пластин; на фиг.4 - проекция металлических пластин на вторую координатную плоскость с линейным законом расширения поверхности со стороны вторых боковых кромок и, например, с линейным законом расширения поверхности со стороны первых боковых кромок; на фиг.5 - проекция металлических пластин на вторую координатную плоскость с законом расширения поверхности со стороны вторых боковых кромок, описываемым функцией вида y=ах±^m/n и, например, с линейным законом расширения поверхности со стороны первых боковых кромок; на фиг.6 - проекция металлических пластин на вторую координатную плоскость с законом расширения поверхности со стороны вторых боковых кромок, описываемым функцией вида y=ae^bx+с^dx и, например, с линейным законом расширения поверхности со стороны первых боковых кромок; на фиг.7 - проекция металлических пластин на вторую координатную плоскость с законом расширения поверхности со стороны вторых боковых кромок описываемым овалом Кассини и, например, с линейным законом расширения поверхности со стороны первых боковых кромок; на фиг.8 - проекция металлических пластин на вторую координатную плоскость линейной со стороны второй координатной поверхности и, например, с линейным законом расширения поверхности со стороны первых боковых кромок; на фиг.9 - проекция металлических пластин на вторую координатную плоскость с нелинейным законом поверхности со стороны второй координатной поверхности и, например, с линейным законом расширения поверхности со стороны первых боковых кромок; на фиг.10 - проекция металлических пластин на вторую координатную плоскость с законом расширения поверхности со стороны первых боковых кромок, описываемым функцией вида y=ax^±m/n и, например, с линейным законом расширения поверхности со стороны вторых боковых кромок; на фиг.11 - проекция металлических пластин на вторую координатную плоскость с законом расширения поверхности со стороны первых боковых кромок, описываемым функцией вида y=ae^bx+с^dx и, например, с линейным законом расширения поверхности со стороны вторых боковых кромок; на фиг.12 - пример выполнения антенны с двумя металлическими пластинами в печатном исполнении на диэлектрическом материале; на фиг.13 - пример выполнения антенны с тремя металлическими пластинами в печатном исполнении на диэлектрическом материале и с внешними диэлектрическими пластинами; на фиг.14 - пример установки системы директорных металлических излучателей в антенне с двумя металлическими пластинами; на фиг.15 - пример установки системы директорных металлических излучателей в антенне с тремя металлическими пластинами; на фиг.16 - пример установки системы директорных металлических излучателей в антенне с четырьмя металлическими пластинами; на фиг.17 - пример установки двух систем директорных металлических излучателей в антенне с четырьмя металлическими пластинами; на фиг.18 - пример установки двух Е-плоскостных металлических экранов на антенну с двумя металлическими пластинами; на фиг.19 - пример установки двух Е-плоскостных металлических экранов с Е-плоскостным рупором на антенну с двумя металлическими пластинами; на фиг.20 - пример установки двух Н-плоскостных металлических экранов на антенну с двумя металлическими пластинами; на фиг.21 - пример установки двух Н-плоскостных металлических экранов с Н-плоскостным рупором на антенну с двумя металлическими пластинами; на фиг.22 - пример установки двух Е- и двух Н-плоскостных металлических экранов на антенну с двумя металлическими пластинами.

Антенна 1 (фиг.1) содержит первую 2 и вторую 3 основные металлические пластины одинаковых размеров, размещенные в прямоугольной системе координат, и отрезок 4 основной входной линии передачи, при этом поверхности первой 2 и второй 3 основных металлических пластин установлены параллельно второй координатной плоскости 5 и размещены в нижней и верхней полуплоскостях второй координатной плоскости 5 относительно третьей координатной плоскости 6 соответственно, а координатная линия 7, соответствующая пересечению второй 5 и третьей 6 координатных плоскостей, является продольной осью антенны 1, при этом поверхности первой 2 и второй 3 основных металлических пластин первыми боковыми кромками 8 со стороны третьей координатной плоскости 6 в направлении продольной оси 7 антенны 1 на первом отрезке 9 от первой координатной поверхности 10 до первой координатной плоскости 11 выполнены расширяющимися, причем точки начала первой боковой кромки 8 поверхности расширения первой 2 и второй 3 основных металлических пластин расположены, соответственно, на прямой пересечения 12 третьей координатной плоскости 6 с первой координатной поверхностью 10, а точки окончания первой боковой кромки 8 поверхности расширения первой 2 и второй 3 основных металлических пластин, соответственно, расположены на первой координатной плоскости 11, при этом на втором отрезке 13 вдоль продольной оси 7 антенны 1 от первой координатной поверхности 10 до второй координатной поверхности 14 первые боковые кромки 8 расположены на третьей координатной плоскости 6, и на втором отрезке 13 к первой боковой кромки 8 первой основной металлической пластины 2 подсоединен отрезок 4 основной входной линии передачи, причем плоскость симметрии первой основной металлической пластины 2 совмещена со второй координатной плоскостью 5, а вторая основная металлическая пластина 3 установлена с зазором S относительно первой основной металлической пластины 2, при этом поверхность первой 2 и второй 3 основных металлических пластин со стороны вторых боковых кромок 15, противоположных первым боковым кромкам 8 соответственно, вдоль продольной оси 7 антенны 1 в направлении от первой координатной плоскости 11 до второй координатной поверхности 14, выполнены расширяющимися.

Антенна 1 (фиг.2) содержит вторую дополнительную металлическую пластину 16, идентичную второй основной металлической пластине 3, которая размещена в верхней полуплоскости второй координатной плоскости 5 и установлена симметрично второй основной металлической пластине 3 относительно второй координатной плоскости 6.

Антенна 1 (фиг.3) содержит первую дополнительную металлическую пластину 17, идентичную первой основной металлической пластине 2, которая размещена в нижней полуплоскости второй координатной плоскости 5 и установлена между первой основной 2 и второй дополнительной 16 металлическими пластинами на расстоянии d от первой основной 2 металлической пластины, причем первая дополнительная металлическая пластина 17 установлена относительно второй дополнительной металлической пластины 16 идентично установки первой основной металлической пластины 2 относительно второй основной металлической пластины 3, при этом введен дополнительный отрезок 18 входной линии передачи, идентичный отрезку 4 основной входной линии передачи, который подсоединен к первой дополнительной металлической пластине 17 идентично подсоединению отрезка основной входной линии передачи 4 к первой основной металлической пластине 2.

Антенна 1 (фиг.4) выполнена с законом расширения поверхности каждой металлической пластины со стороны вторых боковых кромок 15, описываемым линейным законом.

Антенна 1 (фиг.5) выполнена с законом расширения поверхности каждой металлической пластины со стороны вторых боковых кромок 15, описываемым функцией y=ax^±rn/n.

Антенна 1 (фиг.6) выполнена с законом расширения поверхности каждой металлической пластины со стороны вторых боковых кромок 15, описываемым функцией y=ae^bx+с^dx.

Антенна 1 (фиг.7) выполнена с законом расширения поверхности каждой металлической пластины со стороны вторых боковых кромок 15, описываемым овалом Кассини.

Антенна 1 (фиг.8) выполнена с линейной поверхностью каждой металлической пластины со стороны второй координатной поверхности 14 и с линейным законом расширения поверхности металлических пластин со стороны первых боковых кромок 8.

Антенна 1 (фиг.9) выполнена с нелинейным законом поверхности каждой металлической пластины со стороны второй координатной поверхности 14 и с линейным законом расширения поверхности металлических пластин со стороны первых боковых кромок 8.

Антенна 1 (фиг.10) выполнена с законом расширения поверхности каждой металлической пластины со стороны первых боковых кромок 8, описываемым функцией вида y=ax^±m/n, и с линейным законом расширения поверхности металлических пластин со стороны вторых боковых кромок 15.

Антенна 1 (фиг.11) выполнена с законом расширения поверхности каждой металлической пластины со стороны первых боковых кромок 8, описываемым функцией вида y=ae^bx+с^dx, и с линейным законом расширения поверхности металлических пластин со стороны вторых боковых кромок 15.

Антенна 1 (фиг.12) выполнена, например, с двумя металлическими пластинами 2 и 3 в печатном исполнении на диэлектрическом материале 19.

Антенна 1 (фиг.13) выполнена, например, с тремя металлическими пластинами 2, 3 и 16 в печатном исполнении на диэлектрическом материале 19 с внешними диэлектрическими пластинами 20.

Антенна 1 (фиг.14) выполнена, например, с двумя металлическими пластинами 2 и 3 и с установленной системой директорных металлических излучателей 21.

Антенна 1 (фиг.15) выполнена, например, с тремя металлическими пластинами 2, 3 и 16 и с установленной системой директорных металлических излучателей 21.

Антенна 1 (фиг.16) выполнена, например, с четырьмя металлическими пластинами 2, 3, 16 и 17 и с одной установленной системой директорных металлических излучателей 21.

Антенна 1 (фиг.17) выполнена, например, с четырьмя металлическими пластинами 2, 3, 16 и 17 и с двумя установленными системами директорных металлических излучателей 21.

Антенна 1 (фиг.18) выполнена, например, с установкой двух Е-плоскостных металлических экранов 22 на антенну 1 с двумя металлическими пластинами 2 и 3.

Антенна 1 (фиг.19) выполнена, например, с установкой двух Е-плоскостных металлических экранов 22 с Е-плоскостным металлическим рупором 23 на антенну 1 с двумя металлическими пластинами 2 и 3.

Антенна 1 (фиг.20) выполнена, пример, с установкой двух Н-плоскостных металлических экранов 24 на антенну 1 с двумя металлическими пластинами 2 и 3.

Антенна 1 (фиг.21) выполнена, пример, с установкой двух Н-плоскостных металлических экранов 24 с Н-плоскостным металлическим рупором 25 на антенну 1 с двумя металлическими пластинами 2 и 3.

Антенна 1 (фиг.22) выполнена, например, с установкой двух Е- и двух Н-плоскостных металлических экранов 22 и 24 соответственно на антенну 1 с Е- и Н-плоскостными металлическими рупорами 23 и 25 соответственно.

На основе антенны 1, используя ее как субантенну, можно создавать одномерные и двухмерные антенные решетки (АР).

Антенна работает следующим образом.

Антенна 1 представляет собой последовательное согласованное соединение двух типов линий передачи: ДНЩЛ без перекрытия, от максимального раскрыва апертуры (первая координатная плоскость 11) до точки с нулевым перекрытием (первая координатная поверхность 10), и затем переход в ДНЩЛ с нулевым перекрытием. В области перехода происходит одновременно трансформация волны волноводного типа Н₁₀ в ДНЩЛ без перекрытия в волну волноводного типа Н₁₀ в ДНЩЛ с нулевым перекрытием с соответствующей трансформацией импедансов. В месте подключения входной линии передачи (возбуждающего устройства) происходит согласованная трансформация волны волноводного типа Н₁₀ ДНЩЛ без перекрытия в квази-ТЕМ волну.

В режиме излучения антенны 1 (фиг.1) входной СВЧ-сигнал через отрезок входной линии передачи 4, например насимметричной полосковой, поступает в НПЛ, в которой вторая металлическая 3 является земляным проводником. В НПЛ возбуждается и распространяется квази-ТЕМ волна, которая в месте соединения с ДНЩЛ с нулевым перекрытием трансформируется в волну волноводного типа Н₁₀ с одновременной трансформацией импедансов, а в области перехода (первая координатная поверхность 10) трансформируется в волну волноводного типа Н₁₀ в ДНЩЛ без перекрытия, и на плавно расширяющемся отрезке ДНЩЛ, секторного типа, в направлении от первой координатной поверхности 10 до первой координатной плоскости 11 распространяется волна Н₁₀, см., например (Janaswamy R, Snaubert D.H., Radio Science, vol.21, №5, Sept-Oct 1986, pp.797-804), которая и излучается в свободное пространство. Раскрыв сектора ДНЩЛ на первой координатной плоскости 11 является раскрывом антенны 1. Размер раскрыва определяет максимальную длину волны λ_mах рабочего диапазона длин волн антенны 1 и выбирается из условия λ_mах/2. Антенна 1 излучает электромагнитные волны линейной поляризации с ориентацией вектора напряженности электрического поля параллельно первой 2 и второй 3 металлическим пластинам. Минимальная длина волны λ_min рабочего диапазона длин волн определяется сечение ДНЩЛ, с которого начинается возбуждение волн высших порядков в области, близкой к точке с нулевым перекрытием ДНЩЛ. Линейная величина раскрыва апертуры и длина секторной ДНЩЛ основных первой 2 и второй 3 металлических пластин определяют диапазонные свойства антенны 1, ширину ДН в диапазоне частот и характеристику согласования.

Антенна 1 (фиг.2) со второй дополнительной металлической пластиной 16 образуют полную геометрическую и электрическую симметрию для первой основной металлической пластины 2 и симметрию центральному проводнику входной линии передачи относительно земляных пластин, т.е. второй основной 2 и дополнительной 16 металлическим пластинам.

Выполнение антенны 1 (фиг.3) в виде четырехуровневой плоскопараллельной структуры с полной геометрической симметрией относительно координатной поверхности, проходящей посередине между первой основной 2 и дополнительной 17 металлическими пластинами, и синфазно возбуждаемые входными линиями передачи 4 и 18 соответственно, обеспечивает им одинаковые потенциалы, что эквивалентно размещению между ними магнитной стенки.

Линейный (фиг.4) или нелинейный (фиг.5 - 7) закон расширения поверхности металлических пластин со стороны вторых боковых кромок 15 и боковых кромок со стороны второй координатной поверхности (фиг.8 и 9) позволяет оптимизировать распределение поверхностного тока по поверхности металлических пластин.

Линейный (фиг.4) закон расширения поверхности металлических пластин в области апертуры формирует линейную фазочастотную характеристику антенне 1 или нелинейный (фиг.10 и 11) позволяет оптимизировать характеристики согласования в диапазоне рабочих частот антенны 1.

Выполнение металлических поверхностей антенны 1 в печатном исполнении (фиг.12 и 13) позволяет уменьшить геометрические размеры апертуры за счет использования диэлектрических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, упростить конструкцию, повысить механическую прочность.

Размещение системы директорных металлических излучателей 21 (фиг.14 - 17) в антенне 1 позволяет формировать остронаправленные ДН в заданном поддиапазоне рабочего диапазона частот, уменьшить уровень БЛ и уровень обратного излучения (Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов./ Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Сов. радио, 1972, 320 с.)

Размещение двух Е-плоскостных (фиг.18 и 19) или двух Н-плоскостных (фиг.20 и 21) или одновременно двух Е- и двух Н-плоскостных (фиг.22) металлических экранов на антенну 1 позволяет сужать ДН в Е- или Н-плоскости или в Е- и Н-плоскостях одновременно, значительно уменьшить уровень БЛ и свести к минимуму уровень обратного излучения. Е-Н-металлические экраны могут располагаться над металлическими пластинами, а также могут иметь с ними гальванический контакт, либо повторяя форму металлических пластин со стороны вторых боковых кромок, либо за счет контактных элементов. Е -и Н-металлические рупора размещаются перед металлическими пластинами и гальванически соединяются с соответствующими Е- и Н-металлическими экранами, придавая свойства антенне как и в рупоре.

Возможна установка дополнительного металлического экрана со стороны второй координатной поверхности и гальваническое соединение с Е- и Н-металлическими экранами со стороны второй координатной поверхности. Введение дополнительного экрана позволяет полностью устранить обратное излучение антенны.

Изобретение относится к области сверхширокополосной радиолокации, радиоконтроля и метрологии. Технический результат заключается в уменьшении уровня боковых лепестков, уменьшении уровня обратного излучения, увеличении уровня согласования, уменьшении уровня кроссполяризационной составляющей поля. Антенна содержит первую и вторую параллельные основные металлические пластины одинаковых размеров и отрезок входной линии передачи. Первая и вторая основные металлические пластины размещены в верхней и нижней полуплоскостях относительно третьей координатной плоскости. Приведены нелинейные законы изменения второй боковой кромки каждой основной металлической пластины, а также законы изменения первой боковой кромки этих пластин. Антенна может быть выполнена в печатном исполнении на диэлектрическом материале. В антенну могут быть введены директорные металлические излучатели и Е- и Н-плоскостные металлические экраны, соседние боковые кромки которых вдоль продольной оси антенны гальванически соединены между собой. 11 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Антенна, содержащая первую и вторую основные металлические пластины одинаковых размеров, размещенные в прямоугольной системе координат, и отрезок входной линии передачи, при этом поверхности первой и второй основных металлических пластин установлены параллельно и размещены снизу и сверху относительно третьей координатной плоскости соответственно, плоскость первой основной металлической пластины совмещена со второй координатной плоскостью, и координатная линия, соответствующая пересечению второй и третьей координатных плоскостей, является продольной осью антенны, при этом поверхности первой и второй основных металлических пластин в направлении продольной оси антенны выполнены расширяющимися, причем точки начала первой боковой кромки поверхности расширения первой и второй основных металлических пластин соответственно расположены на прямой пересечения третьей координатной плоскости с первой координатной поверхностью, а точки окончания первой боковой кромки поверхности расширения первой и второй основных металлических пластин соответственно расположены на первой координатной плоскости, которая перпендикулярна поверхностям первой и второй основных металлических пластин, при этом на втором отрезке от первой координатной поверхности до второй координатной поверхности боковые кромки первой и второй основных металлических пластин расположены на третьей координатной плоскости и к боковой кромке первой основной металлической пластины подсоединен отрезок основной входной линии передачи, отличающаяся тем, что нелинейный закон изменения второй боковой кромки каждой основной металлической пластины описывается функцией y=ах±^m/n, или у=ае^bx+се^dx или овалом Кассини, где m, n - целые положительные простые числа, а, b, с, d - коэффициенты, задаются действительными числами, x - координата, соответствующая продольной оси антенны, при этом закон изменения первых боковых кромок первой и второй основных металлических пластин на отрезке от первой координатной поверхности до первой координатной плоскости описывается линейной или нелинейной функциями.2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что введена вторая дополнительная металлическая пластина, идентичная второй основной металлической пластине, которая установлена симметрично второй основной металлической пластине относительно второй координатной плоскости.3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что введена первая дополнительная металлическая пластина, идентичная первой основной металлической пластине, которая установлена между первой основной и второй дополнительной металлическими пластинами на расстоянии от первой основной металлической пластины, причем первая дополнительная металлическая пластина установлена относительно второй дополнительной металлической пластины идентично установке первой основной металлической пластины относительно второй основной металлической пластины, при этом введен дополнительный отрезок входной линии передачи, идентичный отрезку входной линии передачи, который подсоединен к первой дополнительной металлической пластине идентично подсоединению отрезка входной линии передачи к первой основной металлической пластине.4. Антенна по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что каждая металлическая пластина выполнена в печатном исполнении на диэлектрическом материале.5. Антенна по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что с внешней стороны плоскости, дальней по отношению ко второй координатной плоскости, каждой металлической пластины установлена внешняя диэлектрическая пластина.6. Антенна по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что в плоскости, проходящей посередине между поверхностями первой и второй основными металлическими пластинами, в направлении от точки начала поверхности расширения к первой координатной плоскости установлена введенная система директорных металлических излучателей.7. Антенна по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что во второй координатной плоскости, в направлении от точки начала первой боковой кромки поверхности расширения к первой координатной плоскости установлена введенная система директорных металлических излучателей.8. Антенна по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что в плоскости, проходящей посередине между первой основной и первой дополнительной металлическими пластинами, в направлении от точки начала поверхности расширения к первой координатной плоскости установлена введенная система директорных металлических излучателей.9. Антенна по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что в плоскости, проходящей посередине между первой и второй основными металлическими пластинами, и в плоскости, проходящей посередине между первой основной и первой дополнительной металлическими пластинами, в направлении от точки начала поверхности расширения к первой координатной плоскости установлены введенные системы директорных металлических излучателей.10. Антенна по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что со стороны внешней поверхности крайних металлических пластин соответственно установлены Е-плоскостные металлические экраны.11. Антенна по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что со стороны вторых боковых кромок металлических пластин и перпендикулярно им установлены введенные Н-плоскостные металлические экраны.12. Антенна по любому из пп.1-11, отличающаяся тем, что соседние боковые кромки Е- и Н-плоскостных металлических экранов вдоль продольной оси антенны гальванически соединены между собой.