РУПОРНАЯ АНТЕННА Российский патент 2007 года по МПК H01Q13/02 

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических системах различного назначения в качестве самостоятельной широкополосной антенны, либо в качестве широкополосного облучателя зеркальной антенны.

Известна рупорная антенна, используемая в качестве широкополосного облучателя зеркальной антенны (Труды НИИР №3, «Антенно-фидерные устройства и техника СВЧ», стр.25, г.Москва, «Радио и связь», 1990 г.), содержащая рупор с решетчатыми боковыми стенками в Н-плоскости и сплошными стенками в Е-плоскости, внутри которого в плоскости Е расположены две экспоненциально расширяющиеся ножевые пластины, и узел возбуждения в виде Н-волновода.

Такое выполнение рупорной антенны расширяет диапазон рабочих частот. Однако при этом не реализуется потенциально достижимая степень согласования антенны с питающим фидером. Кроме того, не обеспечивается идентичность ширины диаграммы направленности (ШДН) в ортогональных плоскостях и ее постоянство в рабочем диапазоне частот. Ширина диаграммы направленности такой рупорной антенны с ростом частоты уменьшается, что приводит к снижению энергетического потенциала антенной системы в целом из-за недооблучения зеркала.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является выбранная в качестве прототипа рупорная антенна (Авт. свид. №1626291 А1, H01Q 13/02), содержащая рупор с решетчатыми боковыми стенками, узел возбуждения в виде Н-волновода и два экспоненциальных Н-образных выступа, выполненных с увеличивающейся к раскрыву рупора шириной S до размера S=10t, где t - ширина выступа в Н-волноводе.

Такое выполнение рупорной антенны улучшает согласование ее с питающим фидером и повышает идентичность ширины диаграммы направленности в ортогональных плоскостях. Однако частотная зависимость ширины диаграммы направленности остается по-прежнему достаточно значительной.

Техническая задача изобретения - стабилизация ширины диаграммы направленности в рабочей полосе частот.

Задача достигается тем, что в известной антенне, содержащей рупор с решетчатыми боковыми стенками, узел возбуждения в виде Н-волновода и два экспоненциальных Н-образных выступа, выполненных с увеличивающейся к раскрыву рупора шириной S до размера S=10t, где t - ширина выступа в Н-волноводе, согласно изобретению решетчатые боковые стенки выполнены в виде стержней диаметром D=0,1-0,11λ_макс, где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона, расстояние d между которыми изменяется от первого стержня, расположенного в раскрыве рупора, по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ=0,7-0,73, а длина стержней l изменяется по тому же закону со знаменателем g=0,895-0,905, т.е. d_n+1=d_nτ и l_n+1=l_ng, где n - порядковый номер стержня, при этом верхняя и нижняя поверхности рупора имеют излом в точках крепления стержней.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенная рупорная антенна отличается выполнением решетчатых стенок рупора в виде стержней диаметром D=0,1-0,11λ_макс, где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона, расстояние d между которым изменяется от первого стержня, расположенного в раскрыве рупора, по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ=0,7-0,73, а длина стержней l изменяется по тому же закону со знаменателем g=0,895-0,905, т.е. d_n+1=d_nτ и l_n+1=l_ng, при этом верхняя и нижняя поверхности рупора имеют изломы в точках крепления стержней.

Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения «новизна».

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что рупорные антенны с решетчатыми боковыми стенками в виде стержней известны, однако выполнение их с указанными размерами и связями позволяет обеспечить такую суперпозицию падающего поля из горловины рупора и полей, рассеянных от решетчатых боковых стенок, при которой обеспечивается стабилизация ширины диаграммы направленности в рабочей полосе частот.

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства.

Сущность изобретения поясняется посредством фиг.1-2 и последующего описания.

На фиг.1 приведен общий вид рупорной антенны.

На фиг.2 приведен график зависимости ширины диаграммы направленности от частоты.

Конструктивно антенна содержит (фиг.1) рупор 1 с решетчатыми боковыми стенками 2 в Н-плоскости и сплошными стенками 3 в Е-плоскости, два экспоненциальных Н-образных выступа 4, выполненных с увеличивающейся к раскрыву рупора шириной S до размера S=10t, где t - ширина выступа в Н-волноводе, и узла возбуждения 5 в виде Н-волновода. Решетчатые боковые стенки 2 выполнены в виде стержней 6 диаметром D=0,1-0,11λ_макс, где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона, расстояние d между которыми изменяется от первого стержня 6, расположенного в раскрыве рупора, по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ=0,7-0,73, а длина стержней l изменяется по тому же закону со знаменателем g=0,895-0,905, т.е. d_n+1=d_nτ и l_n+1=l_ng, где n - порядковый номер стержня, при этом верхняя и нижняя поверхности 3 рупора имеют излом в точках крепления стержней 6. Такая конструкция рупорной антенны позволяет обеспечить стабилизацию ширины диаграммы направленности в рабочей полосе частот.

Рупорная антенна работает следующим образом

При подведении энергии к узлу возбуждения 5 происходит возбуждение рупора 1. Электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль рупора 1, встречает на своем пути три неоднородности. Одна из них находится в горловине рупора, где он сочленяется с волноводом, другая - в решетчатых боковых стенках 2 рупора 1, где электромагнитная волна рассеивается на стрежнях 6 и третья - в раскрыве рупора, где электромагнитная волна выходит в пространство. В результате чего результирующее поле в дальней зоне рупора 1 представляет собой суперпозицию этих волн.

Амплитудно-фазовое распределение результирующего поля в дальней зоне существенно зависит от соотношения полей, излучаемых раскрывом рупора, и, прежде всего, от рассеянного стержнями 6 электромагнитного поля. В свою очередь рассеянное стержнями 6 электромагнитное поле существенно зависит от диаметра стержней D решетчатых боковых стенок рупора, их длины l и расстояния между ними d. Варьируя значениями D, l и d, можно подобрать такие их величины, при которых диаграмма направленности антенны будет оставаться практически постоянной в диапазоне рабочих частот.

Экспериментальные исследования показали, что оптимальным, с точки зрения стабилизации ширины диаграммы направленности в рабочей полосе частот и идентичности диаграмм направленности (ДН) в ортогональных плоскостях, является такое расположение стержней 6 решетчатых боковых стенок 2, при котором расстояние d между стержнями 6 изменяется по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ=0,7-0,73, а их длина l изменяется по тому же закону со знаменателем g=0,895-0,905, т.е. d_n+1=d_nτ и l_n+1=l_ng, где n - порядковый номер стержня. При этом отсчет ведется от стержня, расположенного в раскрыве рупора.

При выборе τ>0,73 и фиксированном значении g рупорная антенна приближается к рупору со сплошными стенками, вследствие чего ее ширина ДН в области верхних частот сужается. При выборе τ<0,7, т.е. при прореживании решетчатых боковых стенок, происходит заметное сужение ШДН на нижних частях. При фиксированном значении τ аналогичная картина наблюдается при выборе g>0,905 и g<0,895.

Диаметр стержней D в меньшей степени влияет на диаграмму направленности, однако при 0,11λ_макс<D<0,1λ_макс наблюдается ухудшение согласования входного сопротивления рупора с питающим фидером и волновым сопротивлением среды.

В силу того, что длина стержней и расстояние между ними изменяются по закону геометрической прогрессии с различными значениями знаменателей (τ≠g), нижняя и верхняя поверхности рупора имеют изломы в точках крепления стержней.

При выбранных параметрах такая конструкция рупорной антенны обеспечивает высокую степень постоянства ширины диаграммы направленности в полосе рабочих частот с коэффициентом перекрытия 1:2,5.

Оценка работы предложенной рупорной антенны осуществлялась на макете со следующими конструктивными параметрами:

- раскрыв апертуры рупора а_p×b_r=(1,7λ_макс-1,7)λ_макс;

- диаметр стержней D=1,07λ_макс;

- количество стержней - 7;

- τ=0,73; g=0,9.

На фиг.2 приведен график зависимости измеренных ширины диаграмм направленности рупора (2θ) в плоскости Е (сплошная линия) и в плоскости Н (пунктирная линия) от частоты.

Анализ их показывает, что в полосе рабочих частот с коэффициентом перекрытия 1:2,5 ширина диаграммы направленности (2θ) изменяется относительно ее среднего значения (2θ_ср) не более чем на ±11%, в то время, как у рупорной антенны-прототипа эта величина составляет ±20%.

Предложенное техническое решение позволяет при использовании рупорной антенны с решетчатыми боковыми стенками, в качестве облучателя зеркальной антенны, обеспечить эффективное облучение ее отражателя в рабочей полосе частот с коэффициентом перекрытия 1:2,5 и тем самым повысить энергетический потенциал приемной системы в целом.

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат заключается в стабилизации ширины диаграммы направленности в рабочей полосе частот. Сущность изобретения состоит в том, что в рупоре с решетчатыми боковыми стенками, узлом возбуждения в виде Н-волновода и двумя экспоненциальными Н-образными выступами, выполненными с увеличивающейся к раскрыву рупора шириной S до размера S=10t, где t - ширина выступа в Н-волноводе, решетчатые боковые стенки выполнены в виде стержней диаметром D=0,1-0,11λ_макс, где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона, расстояние d между стержнями изменяется от первого стержня, расположенного в раскрыве рупора, по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ=0,7-0,73, а длина стержней l изменяется по тому же закону со знаменателем g=0,895-0,905, т.е. d_n+1=d_nτ и l_n+1=l_ng, где n - порядковый номер стержня. Верхняя и нижняя поверхности рупора имеют излом в точках крепления стержней. 2 ил.

Рупорная антенна, содержащая рупор с решетчатыми боковыми стенками, узел возбуждения в виде Н-волновода и два экспоненциальных Н-образных выступа, выполненных с увеличивающейся к раскрыву рупора шириной S до размера S=10t, где t - ширина выступа в Н-волноводе, отличающаяся тем, что решетчатые боковые стенки выполнены в виде стержней диаметром D=0,1-0,11λ_макс, где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона, расстояние d между которыми изменяется от первого стержня, расположенного в раскрыве рупора, по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ=0,7÷0,73, а длина стержней l изменяется по тому же закону со знаменателем g=0,895÷0,905, т.е. d_n+1=d_nτ и l_n+1=l_ng, где n - порядковый номер стержня, при этом верхняя и нижняя поверхности рупора имеют изломы в точках крепления стержней.