ВОЛНОВОДНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК H01Q13/06 H01P1/161 

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнической промышленности средств связи и может использоваться в антенной технике как самостоятельно, так и в качестве фрагмента антенного устройства с одновременно существующими двумя взаимно ортогональными поляризациями.

Волноводные излучатели с линейной поляризацией, выполненные в виде открытого конца прямоугольного волновода, которые для увеличения направленности могут быть нагружены на рупорные или диэлектрические излучатели, широко известны ["Антенны и устройства СВЧ", с. 361, авт. Сазонов Д.М., изд. "Высшая школа", г.Москва, 1988 г.]; ["Антенны и устройства СВЧ", с 149, ред. Воскресенский Д.М., изд. "Советское радио", г.Москва, 1972 г.]; ["Справочник по элементам радиоэлектронных устройств", с. 531, ред. Дулин В.Н., Жук М.С., изд. "Энергия", г.Москва, 1977 г.] и др. В качестве устройства возбуждения в этих излучателях обычно используется один прямоугольный волновод или волноводно-коаксиальный переход. Недостатком таких решений является отсутствие возможности работать с поляризацией, отличающейся от линейной, определяемой волной Н₁₀ в излучающем волноводе. Изменение ориентации этой линейной поляризации может осуществляться только путем механического поворота излучателя вокруг своей продольной оси, а возможность работы одновременно на двух взаимно ортогональных поляризациях полностью отсутствует.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является волноводный излучатель ["Активные фазированные антенные решетки", с. 260, авт. Гостюхин В.А., Трусов В.Н. и др., изд. "Радио и связь", г.Москва, 1993 г.], используемый в составе ФАР, работающей одновременно на двух взаимно ортогональных поляризациях. В качестве устройства возбуждения в нем используются два взаимно ортогональных коаксиально-волноводных перехода.

Основными недостатками этого известного технического решения являются:

1. низкий КПД, обусловленный использованием коаксиально-волноводных переходов и коаксиальных линий передачи с высокими потерями;

2. низкий уровень (≈10 дБ) развязок между входами разных поляризаций, обусловленный близостью и конструкцией коаксиально-волноводных переходов;

3. низкий уровень допустимой рабочей СВЧ-мощности (низкая электропрочность), обусловленный низкой устойчивостью коаксиальной линии и узла возбуждения к воздействию высокого уровня мощности (ВУМ) ["Радиочастотные линии передачи", с. 238, авт. И.Е. Ефимов, изд. "Советское радио", г.Москва, 1964 г.];

4. большая масса и габариты при использовании в чисто волноводной схеме, обусловленные введением в этом случае в волноводный излучатель двух дополнительных коаксиально-волноводных переходов, что к тому же усложняет конструкцию, снижает технологичность и увеличивает трудоемкость изготовления и настройки.

Технический результат предлагаемого решения заключается в улучшении электрических характеристик:

1. увеличение КПД до величины, близкой к единице;

2. обеспечение в широкой полосе частот высоких развязок (≥30 дБ) между каналами, работающими с взаимно ортогональными поляризациями;

3. повышение электропрочности волноводного излучателя;

4. улучшение технологичности, снижение массы, габаритов, трудоемкости изготовления и настройки волноводного излучателя.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что волноводный излучатель, содержащий излучающий волновод и возбуждающее устройство имеет новое конструктивное решение, основанное на том, что:

- излучающий волновод выполнен квадратного сечения с размером стенки а=(0,6±0,1)λ, где λ - длина волны в свободном пространстве;

- возбуждающее устройство выполнено в виде двух волноводов, первый из которых подключен к излучающему волноводу через трансформатор прямоугольного сечения и возбуждает в нем волну Н₁₀, а второй волновод подключен к излучающему волноводу через узкую продольную щель, возбуждающую в излучающем волноводе волну H₀₁, при этом центр узкой продольной щели расположен на расстоянии 1=(0,25±0,05)λ_в от плоскости подключения трансформатора к излучающему волноводу, где λ_в - длина волны в излучающем волноводе, а большая ось ориентирована вдоль средней линии стенки излучающего волновода, параллельной широкой стенке трансформатора;

- в плоскости подключения трансформатора к излучающему волноводу, между его широкими стенками, установлены параллельные между собой и широкими стенками трансформатора N металлических штырей, где N≥1, имеющих с противолежащими узкими стенками электрический контакт.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что:

1) в конструкции волноводного излучателя используются чисто волноводные элементы возбуждения, позволяющие в десятки раз увеличить электропрочность волноводного излучателя;

2) применены такие волноводные элементы для возбуждения взаимно ортогональных волн H₁₀ и H₀₁ в квадратном излучающем волноводе, которые исключают взаимосвязь каналов, возбуждающих эти волны, друг с другом:

- прямоугольный волновод, подключенный к излучающему волноводу через трансформатор прямоугольного сечения с металлическими штырями, ориентированными в плоскости Н и расположенными в плоскости подключения трансформатора;

- прямоугольный волновод, подключенный к излучающему волноводу через узкую, продольную квадратному волноводу щель, расположенную на расстоянии 1=(0,25±0,05)λ_в от плоскости подключения трансформатора, большая ось которой ориентирована вдоль средней линии стенки излучающего волновода, параллельной широкой стенке трансформатора;

3) исключена возможность одновременного возбуждения в излучающем волноводе квадратного сечения от одного из указанных элементов, двух или более типов волн, что достигается ограничением, введенным на размер "а":

а=(0,6±0,1)λ, где λ - длина волны в свободном пространстве.

Пункты 2, 3 в совокупности обеспечивают развязку между каналами устройства возбуждения R≥30 дБ и минимальный КСВ в заданной рабочей полосе частот.

Таким образом, улучшены электрические и конструктивно-технологические характеристики волноводного излучателя, уменьшены трудоемкость изготовления и настройки, общие габариты и масса устройства.

На фиг.1. изображен предлагаемый излучатель, где а - размер стенки квадратного волновода;

S - плоскость подключения трансформатора к излучающему волноводу;

Bx1 - вход волновода 5, используемый для возбуждения в излучающем волноводе волны Н₁₀;

Вх2 - вход волновода 6, используемый для возбуждения в излучающем волноводе волны H₀₁;

На фиг.2 изображены экспериментальные электрические характеристики волноводного излучателя, где

а) КПД со стороны входов Вх1 и Вх2 в диапазоне частот Δf=5.5%f₀;

б) развязки между входами Вх1 и Вх2 в диапазоне частот 5.5%f_0.

Предлагаемый волноводный излучатель состоит из излучающего волновода 1 квадратного сечения с размерами стенок а=(0.6±0.1)λ, трансформатора 2, узкой продольной щели 3 и N металлических штырей 4. Возбуждающее устройство выполнено в виде двух волноводов, первый из которых волновод 5 подключен к излучающему волноводу 1 через трансформатор прямоугольного сечения 2 и возбуждает в нем волну Н₁₀. Второй волновод 6 подключен к излучающему волноводу 1 через узкую продольную щель 3, возбуждающую в излучающем волноводе 1 волну H₀₁, центр узкой продольной щели 3 размещен на расстоянии 1=(0,25±0,05)λ_в от плоскости подключения трансформатора 2 к излучающему волноводу 1, где λ_в - длина волны в излучающем волноводе. Большая ось узкой продольной щели 3 ориентирована вдоль средней линии стенки излучающего волновода 1, параллельной широкой стенке трансформатора 2, при этом в плоскости подключения трансформатора 2 к излучающему волноводу 1, между его широкими стенками, установлены параллельные между собой и широкими стенками трансформатора N металлических штырей 4, где N≥1, имеющих с противолежащими узкими стенками электрический контакт.

Принцип работы предлагаемого волноводного излучателя заключается в следующем:

СВЧ-сигнал, поданный на вход Вх1. поступает в излучающий волновод 1 через трансформатор 2 и возбуждает в нем волну Н₁₀. СВЧ-сигнал, поданный на вход Вх2, возбуждает узкую продольную щель 3, формирующую в излучающем волноводе 1 волну H₀₁.

Для обеспечения максимальной развязки между входами Вх1 и Вх2 и хорошего согласования входа Вх2 по КСВ в плоскости подключения S трансформатора 2 к излучающему волноводу 1 установлены металлические штыри 4, ориентация которых (параллельно широким стенкам трансформатора 2) позволяет минимизировать их влияние на волну Н₁₀ по входу Вх1 и обеспечить практически полное отражение от плоскости S волны H₀₁, возбуждаемой по входу Вх2, выполняя роль короткозамкнутого поршня без потерь. Выбор расстояния от плоскости S до центра узкой продольной щели 3 и размеров стенок излучающего волновода 1 обеспечивает в нем независимое существование волн Н₁₀ и H₀₁ с развязкой между входами Вх1 и Вх2 (≥30 дБ).

Технико-экономические преимущества предложенного решения по сравнению с прототипом заключаются в улучшении электрических характеристик (увеличение КПД, развязок между каналами, формирующими взаимно ортогональные поляризации, электропрочности), улучшении конструктивных и компоновочных качеств и технологичности, в снижении массы, габаритов, трудоемкости изготовления и настройки.

Область применения: антенная СВЧ-техника. Предлагается волноводный излучатель, формирующий одновременно две ортогонально поляризованных волны. Излучатель выполнен в виде волновода квадратного сечения с размером стенки а=(0,6±0,1)λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, и возбуждается двумя волноводами, один из которых подключен к излучающему (квадратному) волноводу через трансформатор прямоугольного сечения и возбуждает в нем волну Н₁₀, а другой через узкую продольную щель и возбуждает в нем волну H₀₁. Центр щели размещен на расстоянии 1=(0,25±0,05)λ_в от плоскости подключения трансформатора сечений к квадратному волноводу, где λ_в - длина волны в этом волноводе, а большая ось щели ориентирована вдоль средней линии стенки излучающего волновода, параллельной широкой стенке трансформатора. В плоскости подключения трансформатора установлены параллельные между собой и широкими стенками трансформатора N металлических штырей, где N>1, имеющих с противолежащими узкими стенками электрический контакт. Техническим результатом является улучшение электрических и конструктивно-технологических характеристик, уменьшение общих габаритов и массы устройства. 2 ил.

Волноводный излучатель, содержащий излучающий волновод и возбуждающее устройство, отличающийся тем, что излучающий волновод имеет квадратное сечение, с размером стенки а=(0,6±0,1)λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, а возбуждающее устройство выполнено в виде двух волноводов, первый из которых подключен к излучающему волноводу через трансформатор прямоугольного сечения и возбуждает в нем волну Н₁₀, а второй волновод подключен к излучающему волноводу через узкую продольную щель, возбуждающую в излучающем волноводе волну H₀₁, центр узкой продольной щели размещен на расстоянии 1=(0,25±0,05)λ_в от плоскости подключения трансформатора к излучающему волноводу, где λ_в - длина волны в излучающем волноводе, а большая ось узкой продольной щели ориентирована вдоль средней линии стенки излучающего волновода, параллельной широкой стенке трансформатора, при этом в плоскости подключения трансформатора к излучающему волноводу, между его широкими стенками установлены параллельные между собой и широким стенкам трансформатора N металлических штырей, где N≥1, имеющих с противолежащими узкими стенками электрический контакт.