РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК H01Q13/02 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемопередающей антенны в установках для измерения радиолокационной матрицы рассеяния разных объектов в выбранном поляризационном базисе. Для таких установок, работающих на монохроматических волнах и содержащих одну приемопередающую антенну, антенна должна быть идеально согласована с передающей линией, иметь коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) меньше 1,02, и, поскольку такие установки применяются в закрытых помещениях, уровень бокового излучения антенн должен быть минимальным.

Широко известны рупорные антенны, выполненные в виде секторальных рупоров в Е- и Н-плоскости и пирамидальных прямоугольного поперечного сечения, конических и биконических круглого поперечного сечения и др. (Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот, М., Сов. Радио, 1957; Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот, т.1, М., Сов. Радио, 1965, с.86). Все они имеют КСВН в пределах 1,4-1,1 и уровень бокового излучения минус 20-25 дБ. Такие параметры приемопередающей антенны для измерения радиолокационной матрицы рассеяния недопустимы, так как развязка между передатчиком и приемником в установках для измерения матрицы рассеяния осуществляется путем компенсации отражений в приемопередающем тракте установки и местные предметы, облучаемые боковым излучением, приводят к уменьшению ее рабочего потенциала. Степень компенсации зависит от стабильности частоты передатчика, которая ограничена. Чем меньше отражений в тракте установки и от местных предметов, тем больше удается скомпенсировать отражения в тракте и получить больше ее рабочий потенциал («Одноантенный измеритель обратного рассеяния» авт. св. № 302810).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве протипа, является «Рупорный излучатель», патент RU № 2025842, Н01Q 13/02, Бюл. № 24, от 30.12.92. Этот излучатель содержит рупор, состыкованный с волноводом, кромка которого выполнена в виде зубчатой структуры с зубцом в форме треугольника и отогнута наружу от образующей рупора на 15°. Размеры треугольных зубцов определяются по специальной формуле.

Кроме того, на боковых стенках рупора вдоль образующей выполнены отверстия в форме трапеций высотой λ_ср/2, поперечные размеры которых увеличиваются вдоль оси рупора от вершины к его раскрыву, в соответствии с определенными соотношениями.

Для указанных выше целей измерения, такой рупорный излучатель не применим из-за отражений в месте сочленения рупора с волноводом и от отверстий и недостаточной согласованности его кромки со свободным пространством.

Недостатки вызваны тем, что в месте присоединения рупора к волноводу образуется излом, в результате чего на изломе появляются краевые (неравномерные) токи, которые возбуждают волны в тракте излучателя в прямом и обратном направлениях, увеличивающие его КСВН. Кроме того, на кромке рупора и краях отверстий также образуются такие токи (Уфимцев П.Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции, М., Сов. Радио, 1962, стр.8, 9, 13).

Техническим результатом изобретения являются уменьшение значения КСВН излучателя, за счет согласования горла рупора с волноводом и его раскрыва со свободным пространством, и уменьшение уровня бокового излучения в направлении перпендикуляра к электрической оси рупорного излучателя.

Изобретение поясняется чертежами: фиг.1 - конструкция рупорного излучателя в изометрии и фиг.2 - геометрические построения для расчета параметров согласующего рупора.

На чертежах введены обозначения: 1 - волновод, 2 - согласующий рупор, 3 - рупор рупорного излучателя, 4 - зубец зубчатой структуры.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что рупорный излучатель содержит последовательно соединенный волновод 1, согласующий рупор 2, рупор излучателя 1 и зубцы 4 зубчатой структуры.

Волновод 1 выполняется из металла квадратного или круглого поперечного сечения.

Рупор 3 выполнен из металла пирамидальным квадратного поперечного сечения или коническим круглого сечения.

Между волноводом 1 и горлом рупора 3 введен согласующий пирамидальный рупор 2 квадратного поперечного сечения или конический рупор круглого поперечного сечения. Длина образующей согласующего рупора равна четверти средней длины волны, распространяющейся в нем. Размер стороны квадрата или диаметр поперечного сечения горла согласующего рупора равен размеру поперечного сечения квадратного или круглого волновода, а размер стороны поперечного сечения или диаметр его раструба, определяется по формуле (1):

где Н - размер стороны квадратного поперечного сечения раструба согласующего рупора или его диаметр;

а - размер стороны квадратного поперечного сечения волновода или диаметр круглого волновода;

h - разность между половиной ширины волновода и половиной ширины раструба согласующего рупора;

λ - средняя длина волны, распространяющаяся в согласующем рупоре;

α - угол между образующей рупора излучателя и его осью.

Кроме того, зубцы зубчатой структуры выполнены в виде прямоугольников, высота, ширина и расстояние между которыми равны нечетному числу четвертей длины волны в свободном пространстве.

Формула (1) получена из геометрических построений фиг.2, на которой введены обозначения:

в - длина образующей согласующего рупора, которая равна четверти средней длины волны распространяющейся в нем;

ϕ - угол между образующей согласующего рупора и его продольной осью;

Все остальные обозначения видны из построений фиг.2.

Из построений фиг.2, путем алгебраических и тригонометрических преобразований, получены формулы (2), (3) и (4), необходимые для определения с, h и ϕ.

Длины волн в волноводе λ₁ и в раструбе λ₂ согласующего рупора определяются по известным (см. Фрадин А.З.) формулам (5) и (6):

где λ_о - длина волны в свободном пространстве.

Эти формулы позволяют вычислить среднюю длину волны λ, волн λ₁ и λ₂, распространяющихся в согласующем рупоре 2.

Рупорный излучатель работает следующим образом.

На вход волновода 1 подается электромагнитная волна, которая проходит через него, согласующий рупор 2 и рупор 3 и переизлучается из его раскрыва в свободное пространство.

На пути распространения волна возбуждает краевые токи на месте стыка волновода 1 и согласующего рупора 2 и стыке согласующего рупора с рупором 3. Эти стыки находятся друг от друга на расстоянии четверти средней длины волны волн, распространяющихся в согласующем рупоре, поэтому волны, вызванные краевыми токами в местах стыков, взаимно компенсируются и не попадают обратно в волновод.

Кроме того, распространяющаяся в излучателе волна наводит краевые токи на кромке рупора 3. Поскольку высота зубцов, их ширина и расстояние между зубцами равны четверти длины волны в свободном пространстве, отраженные от зубцов и промежутков между ними волны находятся в противофазе, взаимно компенсируются и не возвращаются в волновод 1. Поскольку одинаковые боковые стороны соседних зубцов находятся друг от друга на расстоянии половины длины волны в свободном пространстве, то их излучение в стороны от электрической оси рупорного излучателя взаимно компенсируются и тем самым уменьшается боковое излучение.

Реализация рупорного излучателя

Рупорный излучатель был выполнен пирамидальным с рабочей длиной волны в свободном пространстве 3,2 см. Квадратный волновод имел поперечное сечение 2×2 см. В таком волноводе с такими размерами не могут распространятся волны других типов кроме TE₀₁ и ТЕ₁₀, поэтому поляризация излучений, пришедших к раскрыву рупорного излучателя проходит на вход волновода без искажений, что и требуется при измерении матрицы рассеяния в общем случае в эллиптическом поляризационном базисе, частными случаями которого являются линейный и круговой.

Размеры раскрыва рупора равны 20×20 см и его длина 50 см.

Размер раструба согласующего рупора 2 был рассчитан по формуле (1) и составил 2,28 см. Длина волны в волноводе равна 5,35 см, а в раструбе 4,85 см. Средняя длина волны в согласующем рупоре равна 4,9 см. Длина образующей согласующего раструба равна 1,23 см.

Длина волны в свободном пространстве 3,2 см, поэтому высота и ширина зубцов зубчатой структуры равна 0,8 см, а расстояние между одинаковыми сторонами зубцов равно 1,6 см, КСВН такого рупорного излучателя измерить не удалось, так как он оказался меньше погрешности измерения измерительной линии. Боковое излучение в направлении перпендикуляра к электрической оси рупорного излучателя было менее минус 35 дБ.

Технический результат изобретения достигнут - значение КСВН излучателя меньше 1,02 и уровень бокового излучения в направлении перпендикуляра к электрической оси рупорного излучателя меньше минус 35 дБ.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемопередающей антенны в установках для измерения радиолокационной матрицы рассеяния разных объектов в выбранном поляризационном базисе. Технический результат - уменьшение значения КСВН излучателя за счет согласования горла рупора с волноводом и его раскрыва со свободным пространством и уменьшения уровня бокового излучения в направлении перпендикуляра к электрической оси рупорного излучателя. Рупорный излучатель содержит квадратный или круглый волновод и рупор, кромка которого выполнена в виде зубчатой структуры. Рупор выполнен пирамидальным квадратного поперечного сечения или коническим круглого поперечного сечения. Между волноводом и горлом рупора введен согласующий рупор пирамидальный квадратного поперечного сечений или конический круглого поперечного сечения. Длина образующей согласующего рупора равна четверти средней длины распространяющейся в нем волны. Размер стороны квадрата горла согласующего рупора или диаметр поперечного сечения горла равен размеру поперечного сечения волновода. Зубцы зубчатой структуры выполнены в виде прямоугольников, высота, ширина и расстояние между которыми равны нечетному числу четвертей длины волны в свободном пространстве. 2 ил.

Рупорный излучатель, содержащий волновод и рупор, кромка которого выполнена в виде зубчатой структуры, отличающийся тем, что рупор выполнен пирамидальным квадратного поперечного сечения или коническим круглого поперечного сечения, волновод выполнен квадратного или круглого поперечного сечения, между волноводом и горлом рупора введен согласующий рупор пирамидальный квадратного поперечного сечения или конический рупор круглого поперечного сечения, длина образующей согласующего рупора равна четверти средней длины волны, распространяющейся в нем, размер стороны квадрата горла согласующего рупора или диаметр поперечного сечения горла равен размеру поперечного сечения волновода, а размер стороны квадратного поперечного сечения или диаметр его раструба, определяется по формуле

H=a+(λ·Sinα)/4·Cosα/2,

где Н - размер стороны квадратного поперечного сечения раструба согласующего рупора или его диаметр;

a - размер стороны квадратного поперечного сечения волновода или диаметр круглого волновода;

λ - средняя длина волны, волн распространяющихся в согласующем рупоре;

α - угол между образующей рупора излучателя и его продольной осью, кроме того, зубцы зубчатой структуры выполнены в виде прямоугольников, высота, ширина и расстояние между которыми равны нечетному числу четвертей длины волны в свободном пространстве.