ОБЛУЧАТЕЛЬ ЗЕРКАЛЬНЫХ И ЛИНЗОВЫХ АНТЕНН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ГЕРМЕТИЗАЦИИ Российский патент 2005 года по МПК H01Q13/00 

Группа изобретений относится к радиотехнике, в частности к технике СВЧ-антенн, и может быть использована в качестве первичного облучателя большой мощности зеркальных и линзовых антенн, преимущественно крупногабаритных фазированных антенных решеток (ФАР) с оптическим возбуждением.

Пирамидальные рупорные излучатели, обладающие такими качествами, как простота конструкции, широкополосность, высокий кпд, применяются как в виде самостоятельных антенн, так и в качестве первичных облучателей зеркальных и линзовых антенн. При этом равенство ширин диаграмм направленности (ДН) рупора в горизонтальной и вертикальной плоскостях весьма важно при его использовании в качестве облучателя. Однако существенным недостатком пирамидального рупорного облучателя является то, что вследствие разных законов распределения интенсивности поля в раскрыве, например, для волны типа Н₁₀ - равномерного для Е-плоскости и косинусоидального для Н-плоскости, ширины ДН рупора в этих плоскостях различны [1]. Кроме того, уровень боковых лепестков ДН рупора в Е-плоскости значительно превосходит уровень боковых лепестков в Н-плоскости, что создает значительный «перелив» энергии за раскрыв облучаемой антенны, в результате чего снижаются коэффициент использования поверхности (КИП) и коэффициент усиления (КУ) антенны. Для устранения указанных недостатков применяются специальные меры.

Известна многоволновая антенна с излучающей прямоугольной апертурой, содержащая излучающий рупор (ИР), в полости которого помещен ступенчатый Е-преобразователь типов волн. Он выполнен в виде пирамидального рупора, имеющего общую с ИР горловину, его боковые стенки параллельны вектору Е и образованы соответствующими боковыми стенками ИР, а его нижняя и верхняя стенки выполнены симметрично гофрированными в плоскости вектора Е. Высота гофров вдоль образующей плавно возрастает от нуля в горловине до максимума в раскрыве пирамидального рупора, осевая длина которого выбрана меньше длины ИР, а зазоры между их стенками закрыты металлическими перемычками, гофрированными в Н-плоскости. Металлические перемычки образуют симметричный ступенчатый перепад сечений в плоскости вектора Е, а размеры ступенек выбраны так, чтобы в этом сечении создавались условия возбуждения волн только требуемого типа Н₁₀ и Н₁₂, Е₁₂. При этом в апертуре антенны создается распределение поля вида для формирования квазистолообразной диаграммы направленности (ДН) в Е-плоскости [2]. Описанная антенна наряду с положительными качествами обладает следующими недостатками. За счет использования гофров и высших типов волн неизбежно сужается полоса частот и ухудшается согласование (увеличивается коэффициент стоячей волны - КСВ). Высшие типы волн приводят к резонансным явлениям, что в сочетании с наличием острых кромок на гофрах снижает электрическую прочность антенны. Кроме того, вследствие сложности конструкции, велики трудоемкости расчетов требуемых ДН антенны и ее изготовления.

Наиболее близким к заявленному изобретению является суммарно-разностный облучатель для моноимпульсной антенны, содержащий малогабаритный суммарно-разностный узел возбуждения и пирамидальный рупор, разделенный пополам в Е-плоскости перегородкой. Пирамидальный рупор имеет различную длину в Е- и Н-плоскостях и снабжен настроечным элементом в виде двух шаровых сегментов, установленных один над другим на перегородке с возможностью перемещения вдоль ее продольной оси, при этом упомянутая перегородка выступает за продольный габарит рупора и имеет симметричную относительно своей продольной оси форму со ступенчатым уменьшением ширины от начала к концу выступающей части [3]. Причины, препятствующие достижению указанного ниже технического результата при использовании известного пирамидального рупора, принятого за прототип заявленного изобретения, заключаются в следующем. Рупор не рассчитан на пропускание высокого уровня мощности. Согласование (минимальный КСВ) достигается в узком диапазоне частот (±3%) за счет относительно сложной конструкции: разные длины рупора в Е- и Н-плоскостях; настроечный элемент, расположенный на перегородке с возможностью передвижения по ней; зависимость величины КСВ от длины и конфигурации перегородки. Наличие перегородки в рупоре не снижает уровня боковых лепестков в Е-плоскости.

Рупорные облучатели зеркальных и линзовых антенн, в том числе ФАР, имеют, как правило, небольшие площади поперечного сечения, поэтому их важной эксплуатационной характеристикой является электрическая прочность. Самым простым и наиболее распространенным способом обеспечения электрической прочности волноводного антенно-фидерного тракта, заполненного воздухом, является повышение давления в тракте. Это достигается с помощью системы наддува, в состав которой обычно включают помпу или компрессор, элементы контроля и автоматического управления [4]. Поскольку рупорный облучатель является оконечным устройством тракта, то для повышения электрической прочности, особенно рупорного облучателя с расположенными в его полости корректирующими элементами, он должен быть герметичным.

В известной антенне для вывода СВЧ-излучения из вакуума в атмосферу [5] устройство для герметизации рупора выполнено в виде выходного диэлектрического вакуумно-плотного окна, которое укреплено в раскрыве рупора. Недостаток такого устройства заключается в сложности геометрической формы диэлектрической пластины-окна. В более простых устройствах [6-9] используются однослойные тонкие диэлектрические пластины или пленки, основной недостаток которых заключается в том, что пленки не обладают достаточной жесткостью, а одиночные пластины, имеющие толщину, равную или кратную половине длины волны, работают в относительно узкой полосе частот.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является устройство для герметизации, содержащееся в конической рупорной антенне большой мощности с двумя окнами, которое может быть условно принято за прототип изобретения. Это устройство выполнено в виде герметично установленных в торцевой части рупора внутренней и наружной диэлектрических пластин-окон, причем внутри конического рупора размещено внутреннее окно, а на внешней апертуре рупора напротив внутреннего окна, концентрично по отношению к нему, установлено наружное окно. В центральной части внутреннего окна выполнено круглое отверстие. Оба окна имеют профиль окружности и выполнены из поликарбонатной пластмассы [10].

Причины, препятствующие достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства для герметизации рупорной антенны большой мощности, заключаются в следующем. Поскольку диэлектрические пластины окон механически не связаны одна с другой, то избыточное давление удерживает одна наружная пластина, а внутренняя нагрузки не несет, что ограничивает его величину значением порядка 1 кгс/см². Минимальное отражение электромагнитной энергии от поверхностей диэлектрических пластин достигается подбором расстояния между ними, в то время как сами пластины окон не настроены на наилучшее согласование, в результате чего общие потери по уровню 20 дБ имеют место в ограниченном диапазоне частот (не превышающем ±10%).

Сущность группы изобретений заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является разработка и создание герметичного, электропрочного облучателя большой мощности для зеркальных и линзовых антенн, обладающего равновеликими диаграммами направленности в обеих плоскостях и низким уровнем боковых лепестков в Е-плоскости при существенном упрощении конструкции устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный пирамидальный рупор, содержащий проводящую перегородку, плоскость которой перпендикулярна вектору Е, согласно изобретению введены дополнительные проводящие перегородки, установленные перпендикулярно вектору Е, при этом проводящие перегородки взяты в четном количестве и они расположены симметрично по обе стороны от продольной оси пирамидального рупора так, что образуют центральную и боковые секции.

Наружные кромки проводящих перегородок расположены в плоскости раскрыва пирамидального рупора, который выполнен с фланцем для крепления устройства герметизации рупора.

Линейные размеры раскрывов боковых секций пирамидального рупора определяются, исходя из расчетной величины уровня боковых лепестков и ширины диаграммы направленности облучателя в Е-плоскости.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для герметизации рупора, выполненном в виде внутренней и наружной диэлектрических пластин, согласно изобретению внутренняя и наружная диэлектрические пластины с малым tgδ выполнены плоскими и толщиной, равной половине длины волны в диэлектрике, расположены параллельно на расстоянии, равном четверти длины волны в среде «воздух-диэлектрик», при этом внутренняя диэлектрическая пластина с помощью герметизирующей прокладки и металлической рамки плотно прижата к фланцу пирамидального рупора, а внешняя диэлектрическая пластина жестко прикреплена к металлической рамке и имеет механический контакт с внутренней диэлектрической пластиной.

Внутренняя диэлектрическая пластина плотно прижата к фланцу пирамидального рупора при помощи элементов крепления, расстояния между которыми выбраны из условия минимизации отражения мощности от кромок раскрыва и устранения ее утечки за пределы раскрыва облучателя.

В качестве элементов крепления использованы болты, при этом расстояния между центрами отверстий под них во фланце рупора и между центрами этих отверстий и кромками раскрыва рупора равны половине длины волны в диэлектрике.

На внешней поверхности внутренней диэлектрической пластины выполнены продольные, перпендикулярные вектору Е, диэлектрические ребра жесткости или диэлектрические штыри высотой, равной четверти длины волны в среде «воздух-диэлектрик».

Внешняя диэлектрическая пластина по продольной оси, перпендикулярной вектору Е, в поперечном сечении имеет П-образную форму и при помощи элементов крепления, например болтов, проходящих сквозь отверстия в выступах-башмаках, укреплена на металлической рамке, опираясь своей внутренней поверхностью на диэлектрические ребра жесткости или диэлектрические штыри, выполненные на внешней поверхности внутренней диэлектрической пластины.

Линейный размер внутренней и внешней диэлектрических пластин по продольной оси, параллельной вектору Е, выбран одинаковым или меньшим линейного раскрыва пирамидального рупора по этой оси на величину, определяемую из условия обеспечения расчетного фазового распределения поля в раскрыве рупора.

Причинно-следственные связи в заявленной группе изобретений выражаются в следующем. Благодаря наличию перпендикулярных вектору Е проводящих перегородок, разделяющих пирамидальный рупор на секции определенных размеров, в Е-плоскости создается спадающее от центра к периферии ступенчатое распределение поля. В результате ДН рупора в обеих плоскостях становятся практически равновеликими, а боковые лепестки в Е-плоскости уменьшаются, что снижает «перелив» энергии за раскрыв облучаемой антенны, и, следовательно, увеличивает КИП и КУ. Кроме того, диапазонность и согласование (КСВ) пирамидального рупора не ухудшаются, т.к. проводящие перегородки расположены перпендикулярно вектору Е. Поскольку между стенками пирамидального рупора и задними кромками проводящих перегородок имеются узкие зазоры для прохождения СВЧ-энергии в соответствующие секции, то для исключения электрического пробоя в этих участках используется устройство для герметизации рупора (герметизатор), позволяющее поддерживать в нем избыточное давление воздуха порядка 5-6 кгс/см². Это достигается тем, что диэлектрические пластины являются «толстыми» (толщиной Λ/2, где Λ - длина волны в диэлектрике), давление держит внутренняя пластина, а наружная ее подпирает, обеспечивая тем самым необходимую жесткость конструкции. За счет выбора толщин диэлектрических пластин и расстояния между ними герметизатор хорошо согласован, не ухудшает диапазонность и КСВ облучателя. В отдельных случаях, например, при короткой продольной длине пирамидального рупора, за счет уменьшения линейного размера наружной диэлектрической пластины в Е-плоскости герметизатор может выполнять дополнительную функцию корректора фазового распределения поля в раскрыве рупора, чем достигается оптимизация ДН.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - конструктивная схема пятисекционного рупорного облучателя, вид сбоку; фиг.2а - вид пятисекционного рупорного облучателя со стороны раскрыва, фиг.2б - распределение напряженности электрического поля в раскрыве пятисекционного рупорного облучателя в Е-плоскости; фиг.3 - конструкция устройства для герметизации рупорного облучателя, в частности, пятисекционного (грани деталей диэлектрических пластин в вырезе не заштрихованы для лучшей наглядности); фиг.4 - расстояния между элементами крепления герметизатора.

Облучатель зеркальных и линзовых антенн (фиг.1) содержит пирамидальный рупор 1, в котором размещено четное количество установленных перпендикулярно вектору Е проводящих перегородок 2, расположенных симметрично по обе стороны от оси пирамидального рупора 1 так, что они образуют центральную и боковые секции (фиг.2а). В примере осуществления изобретения использованы четыре проводящие перегородки, образующие пять секций: центральную b₃, две средние боковые b₂, b₄ и две крайние боковые b₁, b₅. Наружные кромки проводящих перегородок 2 расположены в плоскости раскрыва пирамидального рупора 1. Между боковыми стенками пирамидального рупора 1 и внутренними кромками проводящих перегородок 2, имеются узкие зазоры с₁, с₃ и d₁, d₄, а между поверхностью перегородок, образующих центральную секцию b₃, и задними кромками перегородок, образующих средние боковые секции, - зазоры d₂, d₃ (фиг.1) для прохождения СВЧ-энергии в секции. Размеры раскрыва пятисекционного облучателя, его длина, геометрия отдельных секций определяются апертурным методом [11] с учетом конфигурации и размеров облучаемой антенны, исходя из условия получения максимального апертурного КИП и расчетной величины уровня боковых лепестков ДН облучателя в Е-плоскости.

Квадраты амплитуд поля А₁ ², А₂ ², А₃ ², А₄ ², А₅ ² в раскрывах секций пятисекционного пирамидального рупора определяются следующими соотношениями:

- для крайних секций

- для средних секций

- для центральной секции

Квадраты нормированных амплитуд поля A_Ni, относительно квадрата амплитуды средней секции А₃ ², равны:

A_N3 ²=1.

где b₁, b₂, b₃, b₄, b₅, d₁, d₂, d₃, d₄, c₁, c₂, с₃ - геометрические размеры пятисекционного пирамидального рупора.

Длина облучателя l выбирается из условия получения квазисинфазного поля в его раскрыве. В приведенном примере пятисекционного пирамидального рупора (фиг.1, фиг.2а) при его длине l=170 мм получены следующие расчетные размеры облучателя: раскрыв в Е-плоскости b=73,1 мм; раскрыв в Н-плоскости а=74 мм; раскрывы секций: крайних боковых b₁=b₅=10,7 мм; средних боковых b₂=b₄=7,1 мм; центральной b₃=35,5 мм; расстояния между внутренними кромками проводящих перегородок и стенками рупора: c₁=с₃=2,2 мм; с₂=20,7 мм; d₁=d₄=1,3 мм; d₂=d₃=5,7 мм; толщина проводящих перегородок δ=0,5 мм. Нормированное ступенчатое распределение поля в раскрыве пятисекционного пирамидального рупорного облучателя в Е-плоскости приведено на фиг.2б. Такое распределение обусловлено тем, что через центральную секцию b₃ проходит 0,827 от всей мощности Р, подводимой к облучателю, через средние боковые секции b₂, b₄ - по 0.07Р, через крайние боковые секции b₁, b₅ - по 0,0165Р. Пирамидальный рупор, рассчитанный по приведенным выше формулам, имеет практически одинаковые ДН и уровни боковых лепестков как в Н-, так и Е-плоскости.

Таким образом, изобретение позволяет создавать малогабаритные облучатели зеркальных и линзовых антенн, обладающие равновеликими ДН с низким уровнем боковых лепестков в обеих плоскостях, в простейшем конструктивном и технологическом исполнении.

Устройство для герметизации пирамидального рупорного облучателя (фиг.4) содержит внутреннюю 3 и внешнюю 4 плоские диэлектрические пластины, которые, с целью снижения потерь электромагнитной энергии в устройстве, выполнены из материала с малым tgδ, в качестве которого может быть использован, например фторопласт-4 (тефлон). Толщина этих диэлектрических пластин выбрана равной Λ/2, где Λ - длина волны в диэлектрике. Внутренняя 3 и внешняя 4 диэлектрические пластины расположены параллельно друг другу на расстоянии, равном λ₀/4, где λ₀ - длина волны в воздухе. При таких толщине диэлектрических пластин и расстояния между ними существенно снижается коэффициент отражения электромагнитных волн от устройства в диапазоне частот. Для обеспечения необходимой механической прочности наружная поверхность внутренней диэлектрической пластины 3 снабжена диэлектрическими ребрами жесткости или диэлектрическими штырями. Высота ребер жесткости 5 или штырей (на чертежах не показаны) равна λ/4, где λ - длина волны в среде «воздух-диэлектрик». Диэлектрические ребра жесткости 5 расположены перпендикулярно Е-плоскости рупорного облучателя 1. Внутренняя диэлектрическая пластина 3 через герметизирующую прокладку 6 с помощью металлической рамки 7 и элементов крепления 8 плотно прижата к фланцу 9 пирамидального рупора 1. В качестве элементов крепления 8 могут быть использованы, например болты со специальными гайками. При этом для минимизации отражения мощности от кромок раскрыва рупора 1 и ее утечки за пределы раскрыва (фиг.5), расстояния m между центрами элементов крепления 8, например отверстий под болты во фланце 9 рупора 1, и расстояния n между центрами этих отверстий и кромками раскрыва рупора 1 равны Λ/2.

Внешняя диэлектрическая пластина 4 (фиг.4) по продольной оси, перпендикулярной вектору Е, в поперечном сечении имеет П-образную форму и при помощи элементов крепления, например болтов, проходящих сквозь отверстия в выступах-башмаках 10, укреплена на металлической рамке 7, опираясь своей внутренней поверхностью на ребра жесткости 5 или штыри на внешней поверхности внутренней диэлектрической пластины 3. Механический контакт диэлектрических пластин 3, 4 увеличивает жесткость и прочность устройства, что позволяет ему надежно выдерживать избыточное давление воздуха в облучателе порядка 5-6 кгс/см² и обеспечить тем самым требуемую его электропрочность.

Линейный размер внутренней 3 и внешней 4 диэлектрических пластин устройства вдоль продольной оси, параллельной вектору Е, как правило, одинаковый. Однако для оптимизации ДН рупорного облучателя, например при его недостаточной продольной длине, линейный размер внешней диэлектрической пластины 4 по оси, параллельной вектору Е, может быть выбран, как показано на фиг.3, меньшим линейного раскрыва пирамидального рупора по этой оси на величину, определяемую из условия обеспечения расчетного фазового распределения поля в раскрыве рупора 1. В этом случае устройство для герметизации облучателя может быть использовано как фазовый корректор.

Источники информации

1. Лавров А.С., Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов. - М.: «Сов. радио», 1974, с.210-211.

2. SU 1061200, H 01 Q 13/02, 1983.

3. RU 2109377, H 01 Q 25/02, 1998.

4. Райцын Д.Г. Электрическая прочность СВЧ-устройств. - М.: «Сов. радио», 1977, с.135-143.

5. SU 1353251, H 01 Q 13/00, 1996.

6. GB 2258345, H 01 Q 19/08, 13/02, 1993.

7. DE 3814276, H 01 Q 13/02, 13/06.

8. DE 4124011, H 01 Q 19/12//Н 01 Р 1/00, 1992.

9. JP 3239030, H 01 Q 1/42, 13/02, 2001.

10. US 6211837, H 01 Q 13/00, U.S. Cl. 343/786, 2001.

11. Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Под ред. Г.З.Айзенберга. В 2-х ч. Ч. 1. М.: «Связь». 1977, с.240-353.

Изобретения относятся к технике СВЧ-антенн и могут быть использованы в качестве первичного облучателя большой мощности зеркальных и линзовых антенн, преимущественно крупногабаритных фазированных антенных решеток (ФАР) с оптическим возбуждением. Технический результат - повышение электропрочности облучателя, равенство диаграмм направленности в обеих плоскостях, снижение уровня боковых лепестков в Е-плоскости. Сущность изобретений заключается в том, что облучатель большой мощности содержит пирамидальный рупор с фланцем, на котором смонтировано устройство для герметизации рупора. В рупоре размещено четное количество установленных перпендикулярно вектору Е проводящих перегородок, расположенных симметрично по обе стороны от продольной оси рупора так, что они образуют центральную и боковые секции. Устройство для герметизации рупора выполнено в виде внутренней и внешней плоских диэлектрических пластин с малым tgδ и толщиной, равной половине длины волны в диэлектрике, расположенных параллельно одна другой на расстоянии, равном четверти длины волны в среде «воздух-диэлектрик». Внутренняя диэлектрическая пластина через герметизирующую прокладку и с помощью металлической рамки и элементов крепления плотно прижата к фланцу пирамидального рупора, а внешняя диэлектрическая пластина жестко прикреплена к металлической рамке и имеет механический контакт с внутренней диэлектрической пластиной. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Облучатель зеркальных и линзовых антенн, характеризующийся тем, что он содержит пирамидальный рупор, в котором размещено четное количество установленных перпендикулярно вектору Е проводящих перегородок, расположенных симметрично по обе стороны от продольной оси пирамидального рупора так, что они образуют центральную и боковые секции.2. Облучатель по п.1, отличающийся тем, что наружные кромки проводящих перегородок расположены в плоскости раскрыва пирамидального рупора, который выполнен с фланцем для крепления устройства герметизации рупора.3. Облучатель по п.1, отличающийся тем, что линейные размеры раскрывов боковых секций пирамидального рупора определяются, исходя из расчетной величины уровня боковых лепестков и ширины диаграммы направленности облучателя в Е-плоскости.4. Устройство для герметизации пирамидального рупорного облучателя, характеризующееся тем, что оно выполнено в виде внутренней и внешней плоских диэлектрических пластин с малым tgδ и толщиной, равной половине длины волны в диэлектрике, расположенных параллельно на расстоянии, равном четверти длины волны в среде «воздух - диэлектрик», при этом внутренняя диэлектрическая пластина через герметизирующую прокладку и с помощью металлической рамки и элементов крепления плотно прижата к фланцу пирамидального рупора, а внешняя диэлектрическая пластина жестко прикреплена к металлической рамке и имеет механический контакт с внутренней диэлектрической пластиной.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что расстояния между элементами крепления внутренней диэлектрической пластины к фланцу пирамидального рупора выбраны из условия минимизации отражения мощности от кромок его раскрыва и устранения ее утечки за пределы раскрыва облучателя.6. Устройство по п.2 или 4, отличающееся тем, что в качестве элементов крепления использованы болты, при этом расстояния между центрами отверстий под них во фланце рупора и между центрами этих отверстий и кромками раскрыва рупора равны половине длины волны в диэлектрике.7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что на внешней поверхности внутренней диэлектрической пластины выполнены продольные, перпендикулярные вектору Е ребра жесткости высотой, равной четверти длины волны в среде «воздух - диэлектрик».8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что на внешней поверхности внутренней диэлектрической пластины выполнены штыри высотой, равной четверти длины волны в среде «воздух - диэлектрик».9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что внешняя диэлектрическая пластина в сечении, перпендикулярном вектору Е, имеет П-образную форму и при помощи элементов крепления, например болтов, проходящих сквозь отверстия в выступах-башмаках, укреплена на металлической рамке, опираясь своей внутренней поверхностью на ребра жесткости или штыри на внешней поверхности внутренней диэлектрической пластины.10. Устройство по п.4, отличающееся тем, что линейный размер внутренней и внешней диэлектрических пластин по оси, параллельной вектору Е, выбран одинаковым.11. Устройство по п.4, отличающееся тем, что линейный размер внешней диэлектрической пластины по оси, параллельной вектору Е, выбран меньшим линейного раскрыва пирамидального рупора по этой оси на величину, определяемую из условия обеспечения расчетного фазового распределения поля в раскрыве рупора.