ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АНТЕННА Российский патент 2009 года по МПК H01Q13/24 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве самостоятельной антенны и как излучающий элемент фазированной антенной решетки со специальной столообразной формой главного лепестка диаграммы направленности, в качестве облучателя зеркальной или линзовой антенны, а также в качестве облучателя коллиматора.

Диэлектрическая антенна характеризуется диаграммой направленности.

При применении диэлектрической антенны в качестве облучателя зеркальных, линзовых антенн, а также в качестве облучателя коллиматора, могут предъявляться следующие требования:

1) Неравномерность главного лепестка диаграммы направленности в секторе углов меньше 1 дБ. Это обеспечивает равномерное облучение рефлектора.

2) Низкий уровень боковых лепестков (менее 10 дБ) диаграммы направленности обеспечивает низкий уровень засветки кромок рефлектора, что приводит к снижению уровня боковых лепестков зеркальных и линзовых антенн, а также увеличивает равномерность поля в рабочей зоне коллиматора.

Выполнение этих требований позволяет увеличить коэффициент усиления или коэффициент использования поверхности антенн, в которых применяется данная диэлектрическая антенна как облучатель.

При применении диэлектрической антенны в качестве самостоятельной антенны и в качестве элемента фазированной антенной решетки с диаграммой направленности специальной формы могут предъявляться следующие требования:

1) Неравномерность главного лепестка диаграммы направленности в секторе углов меньше 1 дБ.

2) Низкий уровень боковых лепестков (менее 10 дБ) диаграммы направленности.

Выполнение этих требований позволяет получить равномерное излучение электромагнитного поля в секторе углов до 40° главного лепестка диаграммы направленности.

Известна антенна (патент США №3434166), которая представляет собой открытый конец круглого волновода с фланцем. Однако диаграмма направленности такой антенны не имеет столообразной вершины главного лепестка. Также известна антенна в виде конического рупора (Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. Том 1, Москва, 1977 г.), состоящая из отрезка волновода круглого сечения и собственно рупора, представляющего собой круглый волновод с плавно увеличивающимся сечением. Диаграмма направленности такого рупора имеет косинусообразный вид и не позволяет сформировать столообразную форму главного лепестка диаграммы направленности.

Наиболее близкой к предлагаемой антенне является диэлектрическая антенна (авт. св. СССР №1374311, Юрцев О.А., Казарин Б.А., Бахрах Л.Д., Григорьева М.И., Шверина-Кашина В.Н. Диэлектрическая антенна, 1986, опубл. БИ №6), содержащая круглый волновод с ребристым фланцем, расположенным на открытом конце волновода, диэлектрический стержень, установленный соосно внутри волновода и выступающий за пределы волновода, и диэлектрическую втулку, расположенную на выступающей части диэлектрического стержня. Выступающая часть диэлектрического стержня выполнена со скачкообразным уменьшением диаметра в плоскости открытого конца круглого волновода.

Указанная антенна позволяет в 10%-ной полосе частот обеспечить столообразную форму главного лепестка диаграммы направленности с неравномерностью менее 1 дБ, однако ее использование невозможно в более широкой полосе частот.

Изобретение решает задачу создания диэлектрической антенны с расширенным диапазоном частот формирования столообразной диаграммы направленности.

Предложенная диэлектрическая антенна позволяет в полосе частот до 17% обеспечить неравномерность столообразной части главного лепестка диаграммы направленности не более 1 дБ.

Указанный технический результат достигается тем, что в диэлектрической антенне, содержащей круглый волновод с ребристым фланцем, расположенным на открытом конце волновода, диэлектрический стержень, установленный соосно внутри волновода и выступающий за пределы волновода, диэлектрическую втулку, расположенную на выступающей части диэлектрического стержня, согласно изобретению выступающая часть диэлектрического стержня дополнительно снабжена диэлектрической вставкой такого же сечения, как и стержень, причем она установлена на расстоянии L₁=(0.6÷0.7)λ от открытого конца волновода, длина ее составляет L₂=(1.1÷1.3)λ, а относительная диэлектрическая проницаемость материала вставки должна быть ε₂=(0.8÷0.9)ε₁, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона; L₁ - расстояние от открытого конца волновода до диэлектрической вставки; L₂ - длина диэлектрической вставки; ε₁, ε₂ - относительные диэлектрические проницаемости диэлектрического стержня и диэлектрической вставки соответственно.

Важен выбор размеров L₁, L₂, а также относительной диэлектрической проницаемости ε₂, в указанных выше пределах. При выборе этих параметров, выходящих за указанные пределы, произойдет расфазировка электромагнитных полей от отдельных элементов диэлектрической антенны, и указанный технический результат достигнут не будет.

Возможно изготовление вставки из фторопласта или тефлона, относительная диэлектрическая проницаемость которых составляет ε₂=2, при использовании в качестве материала стержня полистирола с относительной диэлектрической проницаемостью ε₁=2.5.

При использовании предлагаемой диэлектрической антенны, снабженной вставкой, происходит увеличение фазовой скорости электромагнитной волны в диэлектрической вставке, что приводит к сохранению фазировки электромагнитных полей, излученных отдельными элементами диэлектрической антенны, и, тем самым, к получению и сохранению столообразной формы в более широком диапазоне частот, чем у известного технического решения.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображено продольное сечение предлагаемой антенны. На фиг.2 - график зависимости средней частоты f_cp от места расположения вставки - расстояния L₁ от открытого конца волновода до диэлектрической вставки. На фиг.3 - график зависимости полосы частот Δ от длины вставки L₂. На фиг.4-6 приведены графики диаграммы направленности на различных частотах.

Диэлектрическая антенна содержит круглый волновод 1 с ребристым фланцем 2, расположенным на открытом конце волновода 1, диэлектрический стержень 3, установленный соосно внутри волновода 1 и имеющий выступающую цилиндрическую часть за пределами волновода 1, диэлектрическую втулку 4, расположенную на выступающей части диэлектрического стержня 3. Выступающая часть диэлектрического стержня 3 дополнительно снабжена диэлектрической вставкой 5 такого же сечения, как и стержень 3, причем она установлена на расстоянии L₁=(0.6÷0.7)λ (фиг.2) от открытого конца волновода 1, длина ее составляет L₂=(1.1÷1.3)λ (фиг.3), а относительная диэлектрическая проницаемость материала вставки 5 выбрана из соотношения ε₂=(08÷0.9)ε₁, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона диэлектрической антенны; L₁ - расстояние от открытого конца волновода 1 до диэлектрической вставки 5; L₂ - длина диэлектрической вставки 5; ε₁, ε₂ - относительные диэлектрические проницаемости материалов диэлектрического стержня 3 и диэлектрической вставки 5 соответственно. Материал вставки выбирается из известных материалов с диэлектрической проницаемостью ε₂=(08÷0.9)ε₁.

Диэлектрическая антенна работает следующим образом. Электромагнитная волна типа Н₁₁ в круглом волноводе 1 возбуждает поверхностную волну НЕ₁₁ в диэлектрическом стержне 3, снабженном диэлектрической вставкой 5. Причем фазовая скорость волны в диэлектрической вставке 5 больше фазовой скорости волны в диэлектрическом стержне 3, так как фазовая скорость определяется по формуле , где с - скорость света в вакууме, ε и μ - относительные диэлектрическая и магнитные проницаемости, соответственно, а стержень 3 и вставка 5 выполнены из материалов с различными относительными диэлектрическими проницаемостями ε₁ и ε₂.

Поверхностная волна типа НЕ₁₁ в диэлектрическом стержне 3 и вставке 5 возбуждает поверхностную волну вдоль диэлектрической втулки 4 с плавно замедляющейся, а затем увеличивающейся фазовой скоростью. Совместное излучение поверхностных волн из диэлектрического стержня 3 и диэлектрической вставки 5, а также из диэлектрической втулки 4 с различными фазовыми скоростями приводит к сохранению фазировки электромагнитных полей, излученных отдельными элементами диэлектрической антенны, и, тем самым, к получению и сохранению столообразной формы диаграммы направленности в полосе частот до 17%.

Для расчета рабочей полосы частот облучателя (в %) используется следующее соотношение: , где f_в и f_н - верхняя и нижняя частота, соответственно, частотного диапазона, в котором формируется столообразная часть главного лепестка диаграммы направленности с неравномерностью менее 1 дБ, при этом f_в и f_н предварительно задаются.

Графики, приведенные на фиг.2, 3, служат для выбора места расположения диэлектрической вставки L₁ и длины вставки L₂ исходя из требования рабочей полосы частот Δ и средней рабочей частоты f_cp, где f_cp=c/λ, с - скорость света в вакууме.

Изобретение поясняется примерами.

Пример 1. Стержень 3 диэлектрической антенны выполнен из полистирола с ε₁=2.5, вставка 5 такого же диаметра, как и стержень, выполнена из фторопласта с ε₂=0.8 ε₁=2. Из графика 2 для средней частоты f_ср=9.4 ГГц расстояние от открытого конца волновода 1 до вставки 5 составляет L₁=0.64λ=0,02048 м, где λ=c/f_cp=0.032 м. Из графика 3 для длины вставки L₂=1.1λ=0,035 м получаем полосу частот Δ=16%.

Пример 2. Стержень 3 диэлектрической антенны выполнен из полистирола с ε₁=2.5, вставка 5 такого же диаметра, как и стержень, выполнена из фторопласта с ε₂=0.8 ε₁=2. Из графика 2 для средней частоты f_cp=9.5 ГТц расстояние от открытого конца волновода 1 до вставки 5 составляет L₁=0.61 λ=0,019 м, где λ=c/f_cp=0.0315 м. Из графика 3 для длины вставки L₂=1.2λ=0,038 м получаем полосу частот Δ=17%.

Пример 3. Стержень 3 диэлектрической антенны выполнен из полистирола с ε₁=2.5, вставка 5 такого же диаметра, как и стержень, выполнена из фторопласта с ε₂=0.8 ε₁=2. Из графика 2 для средней частоты f_cp=9.2 ГГц расстояние от открытого конца волновода 1 до вставки 5 составляет L₁=0.7λ=0,0231 м, где λ=c/f_cp=0.033 м. Из графика 3 для длины вставки L₂=1.3λ=0,0416 м получаем полосу частот Δ=14,5%.

Для максимально достижимой полосы частот 17% (пример 2) на фиг.4-6 приведены диаграммы направленности на частотах f_н=8.6 ГТц, f_cp=9.4 ГГц, f_в=10.2 ГГц соответственно. На графиках - сплошная кривая - расчет, пунктир - эксперимент. По оси ординат отложена амплитуда поля в дБ, по оси абсцисс ϑ - угол между осью антенны и направлением измерения электромагнитного поля. Как видно из графиков, диаграммы направленности имеют столообразную форму главного лепестка, неравномерностью менее 1 дБ, в полосе частот 17%. А также уровень боковых лепестков, не превышающий -10 дБ.

Как следует из приведенных примеров, предложенная диэлектрическая антенна позволяет в полосе частот до 17% обеспечить неравномерность столообразной части главного лепестка диаграммы направленности не более 1 дБ. Это дает возможность использовать ее для различных назначений: в качестве самостоятельной антенны и как излучающий элемент фазированной антенной решетки со специальной столообразной формой главного лепестка диаграммы направленности, в качестве облучателя зеркальной или линзовой антенны, в качестве облучателя коллиматора.

Возможность работы антенны в полосе частот до 17% с неравномерностью столообразной части главного лепестка диаграммы направленности не более 1 дБ позволяет при использовании диэлектрической антенны в качестве облучателя зеркальных, линзовых антенн, а также в качестве облучателя коллиматора увеличить коэффициент усиления или коэффициент использования поверхности в более широкой полосе частот, а при использовании диэлектрической антенны в качестве самостоятельной антенны позволяет получить равномерное излучение электромагнитного поля в секторе углов до 40° главного лепестка диаграммы направленности.

Изобретение относится к области электрорадиотехники, в частности к диэлектрической антенне, содержащей круглый волновод с ребристым фланцем, расположенным на открытом конце волновода, диэлектрический стержень, установленный соосно внутри волновода и выступающий за пределы волновода, и диэлектрическую втулку, расположенную на выступающей части диэлектрического стержня, согласно изобретению выступающая часть диэлектрического стержня дополнительно снабжена диэлектрической вставкой такого же сечения, как и стержень, причем она установлена на расстоянии L₁=(0.6÷0.7)λ от открытого конца волновода, длина ее составляет L₂=(1.1÷1.3)λ, а относительная диэлектрическая проницаемость материала вставки должна быть ε₂=(0.8÷0.9)ε₁, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона; L₁ - расстояние от открытого конца волновода до диэлектрической вставки; L₂ - длина диэлектрической вставки; ε₁, ε₂ - относительные диэлектрические проницаемости диэлектрического стержня и диэлектрической вставки соответственно. Предложенная диэлектрическая антенна позволяет в полосе частот до 17% обеспечить неравномерность столообразной части главного лепестка диаграммы направленности не более 1 дБ, а также уровень боковых лепестков, не превышающий 10 дБ, что является техническим результатом изобретения. 6 ил.

Диэлектрическая антенна, содержащая круглый волновод с ребристым фланцем, расположенным на открытом конце круглого волновода, диэлектрический стержень, установленный соосно внутри волновода и выступающий за пределы круглого волновода, и диэлектрическую втулку, расположенную на выступающей части диэлектрического стержня, отличающаяся тем, что выступающая часть диэлектрического стержня снабжена диэлектрической вставкой такого же сечения, как и стержень, причем она установлена на расстоянии L₁=(0,6÷0,7)λ от открытого конца круглого волновода, длина ее составляет L₂=(1,1÷1, 3)λ, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона антенны, а относительная диэлектрическая проницаемость ε2 материала вставки выбрана из соотношения ε2=(0,8-0,9)ε1, где ε1 - относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрического стержня.