ДВУХДИАПАЗОННЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК H01Q5/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в приемопередающей аппаратуре дециметрового и сантиметрового диапазонов длины волн. Преимущественным использованием изобретения является применение заявляемого устройства в качестве двухдиапазонного поляризационно развязанного облучателя зеркальной антенны с отражателем из двух разнесенных между собой параболических поверхностей.

Уровень техники

Известна двухдиапазонная антенна (см. описание изобретения к авторскому св-ву SU №1756995, МПК H01Q 5/00, опубл. 23.08.92), предназначенная для работы в двух диапазонах частот при различной поляризации излучения. Антенна содержит две пары рамок, размещенных в одной плоскости, причем диагонали рамок размещены на одной прямой с зазором между парами рамок. Общие точки питания рамок каждой пары присоединены к фидеру ВЧ-диапазона. Первая пара точек нулевого потенциала, которые находятся на наружных концах вышеуказанной прямой, совпадающей с диагоналями рамок, соединена перемычкой, а ко второй паре точек нулевого потенциала, находящейся в зазоре между рамками, присоединен фидер НЧ-диапазона.

Указанная двухдиапазонная антенна характеризуется широкополосностью, но при этом обладает слабонаправленным действием.

Известна конструкция многодиапазонной петлевой зигзагообразной антенны (см. описание изобретения к патенту RU №2170478, МПК H01Q 5/00, опубл. 10.07.2001), которая содержит, по меньше мере, два петлевых зигзагообразных излучателя, из которых один имеет большие геометрические размеры и настроен на более низкочастотный - более длинноволновый диапазон, а другой является геометрически меньшим и предназначен для более чем первый высокочастотного диапазона, при этом геометрические размеры излучателей соотносятся между собой пропорционально длинам волн диапазонов. Электрически излучатели различных диапазонов соединены между собой последовательно через линии связи и линии фазировки, или параллельно через частотно-селектирующие фильтры, или параллельно-последовательно, и запитаны от фидера. Конструкция антенны включает общий рефлектор, при этом плоскости расположения вышеуказанных петлевых зигзагообразных излучателей отдельных диапазонов длин волн отстоят от полотна рефлектора на расстоянии 0,1…0,15 максимальной длины волны соответствующего диапазона, т.е. полотна зигзагообразных излучателей находятся в различных, параллельных между собой плоскостях.

Антенна по патенту RU №2170478 относится к широкополосным антеннам метрового и дециметрового диапазона длины волн и характеризуется совмещением в пространстве излучателей нескольких диапазонов без значительного увеличения геометрических размеров антенны в целом. Вместе с тем, также как и предыдущий аналог, антенна по патенту №2170478 характеризуется невысоким коэффициентом направленного действия. Кроме того, конструктивное решение такой антенны, если его доработать до дециметрового и сантиметрового диапазона, обусловит то, что конструкция такой антенны будет иметь разные фазовые центры, что делает невозможным ее работу в качестве двухдиапазонного поляризационно развязанного облучателя для зеркальной антенны.

В качестве прототипа заявляемого решения принята конструкция комбинированной зигзагообразной антенны (см. описание изобретения к патенту RU №2318276, МПК: H01Q 21/30; H01Q 5/00), содержащей неполный зигзагообразный вибратор метрового диапазона радиоволн, состоящий из двух одинаковых незамкнутых треугольных рамок, расположенных в одной вертикальной плоскости, одна над другой, и соединенных друг с другом с образованием точек питания, и установленный параллельно вышеуказанному вибратору на расстоянии от него, равном 0,25 λ_ср. (где λ_ср. - средняя длина волны дециметрового диапазона), неполный зигзагообразный вибратор дециметрового диапазона радиоволн, состоящий из двух одинаковых незамкнутых рамок, расположенных в одной вертикальной плоскости одна над другой, причем каждая рамка этого вибратора имеет основание и две боковые стороны в форме ломанных линий, состоящих из отрезков, длина которых соизмерима с длиной рабочих радиоволн дециметрового диапазона. Антенна включает две двухпроводные линии. С помощью одной из них соединены между собой незамкнутые рамки неполного зигзагообразного вибратора дециметрового диапазона радиоволн с образованием точек питания. С помощью другой двухпроводной линии соединены точки питания вибратора дециметрового диапазона с точками питания неполного зигзагообразного вибратора метрового диапазона радиоволн. Рефлектор, выполненный в виде плоского прямоугольного экрана, установлен параллельно вибраторам и расположен за вибратором метрового диапазона.

Антенна, принятая за прототип, одновременно работает как в метровом диапазоне, так и в дециметровом, т.е. может выполнять функцию двухдиапазонного облучателя. При этом оба зигзагообразных вибратора взаимно усиливают друг друга: вибратор метрового диапазона одновременно работает в метровом диапазоне длин волн и является активным рефлектором для вибратора дециметрового диапазона, а вибратор дециметрового диапазона работает в дециметровом диапазоне и одновременно является директором для вибратора метрового диапазона, что способствует усилению направленных свойств антенны.

Однако направленные свойства антенны достигаются очень сложной конструкцией рефлектора, вибратор метрового диапазона имеет такую конфигурацию, которая не может обеспечить его высокую эффективность как рефлектора для вибратора дециметрового диапазона, который к тому же имеет существенно большие размеры, чем отражающие элементы. Кроме того, недостатком антенны, принятой за прототип, является, как и в вышеохарактеризованном аналоге, разное положение фазового центра в дециметровом и сантиметровом диапазонах частот, что делает невозможным использование такой антенны в качестве двухдиапазонного поляризационно-развязанного облучателя для зеркальных антенн.

Раскрытие изобретения

Заявляемым изобретением решается задача создания двухдиапазонного поляризационно-развязанного облучателя с фиксированными фазовыми центрами в каждом диапазоне, характеризующегося высоким коэффициентом направленного действия, высокой степенью согласования, простотой и технологичностью изготовления конструкции и ее компактностью.

Вышеуказанная задача решена тем, что в двухдиапазонном облучателе, содержащем два петлевых вибратора, один - нижнего диапазона длины волн, другой - верхнего, полотна которых размещены в параллельных плоскостях, отстоящих друг от друга на расстоянии, равном 0,25 λ_в., где λ_в. - средняя длина волны верхнего диапазона, причем каждый вибратор образован двумя незамкнутыми рамками, имеющими общую продольную ось, проходящую через обращенные друг к другу разомкнутые вершины рамок в центральной части каждого вибратора, в которых расположены точки питания, рефлектор, выполненный в виде плоского экрана, расположен со стороны петлевого вибратора нижнего диапазона на расстоянии от него, равном 0,25λ_н., где λ_н. - средняя длина волны нижнего диапазона, и в плоскости, параллельной плоскостям размещения упомянутых петлевых вибраторов, согласно заявляемому изобретению незамкнутые рамки петлевых вибраторов имеют ромбическую форму, вибратор верхнего диапазона волн смонтирован на вибраторе нижнего диапазона и размещен относительно него ортогонально, так что продольные оси вибраторов перпендикулярны между собой в проекции на рефлектор, при этом фазовый центр петлевого вибратора нижнего диапазона находится между его полотном и плоскостью рефлектора, а фазовый центр петлевого вибратора верхнего диапазона находится между его полотном и полотном петлевого вибратора нижнего диапазона.

Заявляемый двухдиапазонный облучатель предназначен, преимущественно, для работы в дециметровом и сантиметровом диапазонах длины волн, поэтому при конкретной реализации заявляемого решения вибратор нижнего диапазона волн является вибратором дециметрового диапазона, а вибратор верхнего диапазона волн является вибратором сантиметрового диапазона.

Также при конкретной реализации заявляемого изобретения является предпочтительным выполнение облучателя с петлевым вибратором верхнего диапазона длины волн (т.е. с вибратором для сантиметрового диапазона), сформированным из двух отрезков коаксиального кабеля со сплошным медным экраном так, что первый отрезок образует две смежные стороны одной из ромбических рамок по одну сторону от продольной оси вибратора, и его входной конец связан с питающим кабелем сигнала верхнего диапазона, а второй отрезок коаксиального кабеля образует две другие стороны этой рамки и все стороны другой ромбической рамки вибратора верхнего диапазона. При этом центральная жила выходного конца первого отрезка кабеля соединена с экраном второго отрезка кабеля на участке его изгиба в центральной части вибратора и образует первую точку его запитки, экран выходного конца первого отрезка кабеля соединен с экраном входного конца второго отрезка кабеля, образуя вторую точку запитки вибратора, а экран на выходе второго отрезка кабеля соединен с экраном первого отрезка на его входном конце.

Направленные свойства облучателя существенно увеличиваются при его исполнении с двумя металлическими пластинами трапециевидной формы, смонтированными на рамках вибратора нижнего диапазона в его срединной части и со стороны, противоположной рефлектору, при этом пластины установлены обращенными друг к другу верхними основаниями трапеций и с зазором между ними. Эти пластины усиливают экранирующую функцию вибратора нижнего диапазона в отношении вибратора верхнего диапазона.

Наиболее технологичным является изготовление вибратора сантиметрового диапазона с размещением отрезков коаксиального кабеля, формирующих ромбические рамки петлевого вибратора верхнего диапазона, на поверхности диэлектрической пластины. Такое выполнение при этом также увеличивает жесткость вибратора и упрощает его установку в облучателе. Для закрепления вибратора верхнего диапазона на вибраторе нижнего диапазона достаточно установить и закрепить диэлектрическую пластину с ромбическими рамками из отрезков коаксиального кабеля посредством стоек на металлических пластинах трапециевидной формы, закрепленных на трубчатых проводниках вибратора нижнего диапазона.

Выполнение петлевого вибратора нижнего диапазона из трубчатых проводников (из изогнутой металлической трубки, преимущественно, алюминиевой) и его закрепление на рефлекторе посредством стоек, установленных в точках нулевого потенциала, произведено по аналогии с известной технологией изготовления зигзагообразных антенн. Новым в заявляемом облучателе является подвод питания. В заявляемом облучателе кабель сигнала нижнего диапазона пропущен внутри трубчатого проводника, формирующего две смежные стороны одной ромбической рамки этого вибратора, а кабель сигнала верхнего диапазона пропущен внутри трубчатого проводника, формирующего две смежные стороны другой ромбической рамки вибратора нижнего диапазона. Для уменьшения влияния вибратора сантиметрового диапазона на параметры вибратора дециметрового диапазона внешний проводник кабеля подачи сигнала на вибратор сантиметрового диапазона замкнут на выходе из трубы вибратора дециметрового диапазона.

Размещение элементов облучателя в параллельных плоскостях и на расстоянии, равном четверти длины волны соответствующего диапазона, а также размещение вибратора верхнего диапазона напротив срединной части вибратора нижнего диапазона, в которой проводники приближены друг к другу, обеспечивают однонаправленность излучения антенны и способствуют увеличению коэффициента усиления. Из прототипа известно использование одного из вибраторов в качестве активного рефлектора для другого вибратора. Однако в заявляемом решении в качестве такого активного рефлектора для вибратора используется срединная часть вибратора нижнего диапазона, выполненного в виде ромбических рамок, которые в срединной части полотна вибратора имеют изгибы и максимально приближены друг к другу, что предопределяет наиболее эффективное отражение излучения вибратора верхнего диапазона.

Краткое описание чертежей

Заявляемое техническое решение поясняется следующими чертежами, на которых:

на фиг.1 схематично представлена заявляемая конструкция двухдиапазонного облучателя;

на фиг.2 - вид А на фиг.1;

на фиг.3 - сечения фрагментов I, II, III на фиг.1;

на фиг.4 схематично представлен вибратор сантиметрового диапазона длин волн;

на фиг.5 - фрагмент IV на фиг.4;

на фиг.6 - график коэффициента стоячей волны заявляемого облучателя в дециметровом диапазоне;

на фиг.7 - график коэффициента стоячей волны заявляемого облучателя в сантиметровом диапазоне;

Осуществление изобретения

Двухдиапазонный облучатель (см. фиг.1, фиг.2) содержит два петлевых вибратора: вибратор 1 нижнего диапазона длины волн, а именно дециметрового диапазона, и вибратор 2 верхнего диапазона длины волн, который является вибратором сантиметрового диапазона.

Петлевой вибратор 1 выполнен из металлической трубки, изогнутой с образованием зигзагообразных трубчатых проводников 3 и 4, формирующих две незамкнутые рамки 5 и 6 ромбической формы. Диагонали ромбических рамок 5 и 6 совпадают с продольной осью L₁ вибратора 1, проходящей через обращенные друг к другу разомкнутые вершины рамок 5 и 6 в центральной части вибратора 1, в которой расположены точки питания (на чертеже не показаны), запитанные от питающего кабеля 7. Кабель 7 - это кабель сигнала нижнего (т.е. дециметрового) диапазона заявляемого двухдиапазонного облучателя, этот кабель пропущен внутри трубчатого проводника 3, образующего две смежные стороны ромбической рамки 5.

Петлевой вибратор 2 сантиметрового диапазона длины волн, также как и вибратор 1, сформирован в виде двух незамкнутых рамок 8 и 9 ромбической формы (см. фиг.4), диагонали которых совпадают с продольной осью L₂ вибратора 2, проходящей через обращенные друг к другу разомкнутые вершины этих рамок 8 и 9 в центральной части вибратора 2, в которой расположены его точки питания. Вибратор 2 выполнен из двух отрезков 10 и 11 коаксиального кабеля со сплошным медным экраном 12. При этом первый отрезок 10 образует две смежные стороны ромбической рамки 9, расположенные по одну сторону от продольной оси L₂ вибратора 2, и его входной конец переходит в кабель 13 подачи СВЧ-мощности. Второй отрезок 11 коаксиального кабеля образует две другие стороны рамки 9 и полностью ромбическую рамку 8 вибратора 2 сантиметрового диапазона длин волн. Центральная жила на выходном конце отрезка 10 коаксиального кабеля соединена с экраном 12 отрезка 11 коаксиального кабеля на участке его изгиба, расположенном в центральной части вибратора 2, и образует первую точку 14 запитки этого вибратора. Медный экран на выходном конце отрезка 10 коаксиального кабеля соединен с медным экраном 12 входного конца второго отрезка 11 коаксиального кабеля, образуя вторую точку 15 запитки вибратора 2, а экран 12 на выходе второго отрезка 11 соединен с медным экраном первого отрезка 10 на его входном конце в точке 16, т.е. на участке подачи СВЧ-мощности на вибратор 2 сантиметрового диапазона. Кабель подачи СВЧ-мощности, т.е. кабель 13 сигнала верхнего (сантиметрового) диапазона, пропущен внутри трубчатого проводника 4, формирующего рамку 6 вибратора 1 нижнего дециметрового диапазона.

Является целесообразным отрезки 11 и 12 коаксиального кабеля, формирующие ромбические рамки 8 и 9 вибратора 2, разместить на поверхности диэлектрической пластины 17.

Полотна вибраторов 1 и 2 размещены в параллельных плоскостях, отстоящих друг от друга на расстоянии, равном 0,25 λ_в., где λ_в. - средняя длина волны верхнего диапазона. Заявляемая антенна снабжена рефлектором 18, выполненным в виде плоского экрана, расположенного со стороны петлевого вибратора 1 дециметрового диапазона на расстоянии от него, равном 0,25 λ_н., где λ_н. - средняя длина волны нижнего диапазона. При этом плоскость рефлектора 18 параллельна плоскостям размещения упомянутых петлевых вибраторов 1 и 2.

Вибратор 2 сантиметрового диапазона волн размещен ортогонально относительно вибратора 1 дециметрового диапазона, так что продольные оси L₁ и L₂ этих вибраторов перпендикулярны между собой в проекции на плоскость рефлектора 18. При этом фазовый центр петлевого вибратора 1 дециметрового диапазона находится между его полотном, т.е. между плоскостью размещения вибратора 1, и плоскостью рефлектора 18, а фазовый центр петлевого вибратора 2 сантиметрового диапазона находится между плоскостями размещения вибраторов, т.е. между плоскостью вибратора 1 и плоскостью вибратора 2.

На проводниках 3 и 4 вибратора 1 дециметрового диапазона закреплены две металлические пластины 19 трапециевидной формы, смонтированные на рамках вибратора 1 в его срединной части и со стороны, противоположной рефлектору 18. При этом пластины 19 установлены обращенными друг к другу верхними основаниями трапеций и с зазором между ними. Пластины 19 усиливают жесткость срединной части вибратора 1, служат опорными элементами для установки вибратора 2 и являются для него рефлектором.

Петлевой вибратор 1 дециметрового диапазона закреплен на рефлекторе 18 посредством стоек 20, установленных в точках нулевого потенциала, а диэлектрическая пластина 17 с вибратором 2 сантиметрового диапазона закреплена на пластинах 19 через стойки 21.

Для улучшения согласования вибратор 1 выполнен с дополнительными проводниками-лучами 22, а вибратор 2 - со шлейфами 23.

Для уменьшения влияния вибратора 2 сантиметрового диапазона на параметры вибратора 1 дециметрового диапазона внешний проводник кабеля 13 подачи сигнала на вибратор 2 сантиметрового диапазона замыкается на выходе из трубчатого проводника 4 вибратора 1 дециметрового диапазона.

Двухдиапазонный облучатель работает следующим образом.

Сигнал дециметрового диапазона кабелем 7 через трубчатый проводник 3 подается на точки запитки вибратора 1. Сигнал сантиметрового диапазона подается на вибратор 2 кабелем 13, пропущенным через трубчатый проводник 4 вибратора 1 и соединенным со входом отрезка 10 коаксиального кабеля, формирующего рамку 9 вибратора 2. Ортогональное размещение вибраторов 1 и вибраторов 2 обусловливает то, что вибраторы 1 и 2 осуществляют излучение разной поляризации, а расположение вибраторов в параллельных плоскостях и наличие рефлекторов предопределяет однонаправленность излучение.

При этом по сравнению с прототипом заявляемый облучатель характеризуется высокими направленными свойствами, обусловленными тем, что трубчатые проводники вибратора 1, служащие рефлектором для вибратора 2, в зоне отражения излучения вибратора 2 имеют изгибы, т.е. они сконцентрированы в этой зоне и практически полностью заполняют ту часть параллельной вибратору 2 плоскости, которая является оптимальной как отражающий экран этого вибратора. Это свойство усиливается также благодаря металлическим пластинам 19.

Вместе с тем, в заявляемом техническом решении облучателя решена проблема согласования. На фиг.6 и 7 показаны коэффициенты стоячей волны по входам вибраторов дециметрового и сантиметрового диапазонов, подтверждающие это.

Заявляемое решение характеризуется простотой конструкции и технологичностью производства такого облучателя, поскольку использование коаксиального кабеля с медным экраном для изготовления проводников вибратора сантиметрового диапазона позволяет производить изделие с минимальными трудозатрами. При этом конструкция облучателя имеет небольшие геометрические размеры с компактным взаиморасположением его элементов.

Изобретение относится к антенной технике. Техническим результатом является достижение высокого коэффициента направленного действия, высокой степени согласования, упрощения и технологичности изготовления конструкции и ее компактности. Двухдиапазонный облучатель содержит два петлевых вибратора, один - нижнего диапазона длины волн, другой - верхнего, полотна которых размещены в параллельных плоскостях. Вибратор верхнего диапазона волн смонтирован на вибраторе нижнего диапазона и размещен относительно него ортогонально, так что продольные оси вибраторов перпендикулярны между собой в проекции на рефлектор, при этом фазовый центр петлевого вибратора нижнего диапазона находится между его полотном и плоскостью рефлектора, а фазовый центр петлевого вибратора верхнего диапазона находится между его полотном и полотном петлевого вибратора нижнего диапазона. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Двухдиапазонный облучатель, содержащий два петлевых вибратора: один нижнего диапазона длины волн, другой верхнего, полотна которых размещены в параллельных отстоящих друг от друга плоскостях, причем каждый вибратор образован двумя незамкнутыми рамками, диагонали которых совпадают с его продольной осью, проходящей через обращенные друг к другу разомкнутые вершины рамок в центральной части каждого вибратора, в которых расположены точки питания, рефлектор, выполненный в виде плоского экрана, расположен со стороны петлевого вибратора нижнего диапазона в плоскости, параллельной плоскостям размещения упомянутых петлевых вибраторов, отличающийся тем, что незамкнутые рамки петлевых вибраторов выполнены в форме ромбических, вибратор верхнего диапазона волн смонтирован на вибраторе нижнего диапазона и размещен относительно него ортогонально, так что продольные оси вибраторов перпендикулярны между собой в проекции на плоскость рефлектора, при этом фазовый центр петлевого вибратора нижнего диапазона находится между его полотном и плоскостью рефлектора, а фазовый центр петлевого вибратора верхнего диапазона находится между его полотном и полотном петлевого вибратора нижнего диапазона.

2. Облучатель по п.1, отличающийся тем, что вибратор нижнего диапазона волн является вибратором дециметрового диапазона, а вибратор верхнего диапазона волн является вибратором сантиметрового диапазона.

3. Облучатель по п.1, отличающийся тем, что петлевой вибратор верхнего диапазона длины волн выполнен из двух отрезков коаксиального кабеля со сплошным медным экраном, причем первый отрезок образует две смежные стороны одной из ромбических рамок по одну сторону от продольной оси этого вибратора, и его входной конец переходит в кабель подачи СВЧ мощности, а второй отрезок коаксиального кабеля образует две другие стороны этой рамки и все стороны другой ромбической рамки вибратора верхнего диапазона, при этом центральная жила выходного конца первого отрезка кабеля соединена с экраном второго отрезка кабеля на участке его изгиба в центральной части вибратора и образует первую точку его запитки, экран выходного конца первого отрезка кабеля соединен с экраном входного конца второго отрезка кабеля, образуя вторую точку запитки вибратора, а экран на выходе второго отрезка кабеля соединен с экраном первого отрезка на его входном конце.

4. Облучатель по п.1 или 3 отличающийся тем, что он снабжен двумя металлическими пластинами трапециевидной формы, смонтированными на рамках вибратора нижнего диапазона в его срединной части и со стороны, противоположной рефлектору, при этом пластины установлены обращенными друг к другу верхними основаниями трапеций и с зазором между ними.

5. Облучатель по п.4, отличающийся тем, что отрезки коаксиального кабеля, формирующие петлевой вибратор верхнего диапазона длины волн, размещены на поверхности диэлектрической пластины, закрепленной через стойки на пластинах трапециевидной формы.

6. Облучатель по п.1 или 3, отличающийся тем, что петлевой вибратор нижнего диапазона выполнен из трубчатых проводников и закреплен на рефлекторе посредством стоек, установленных в точках нулевого потенциала, при этом кабель сигнала нижнего диапазона пропущен внутри трубчатого проводника, формирующего две смежные стороны одной ромбической рамки этого вибратора, а кабель сигнала верхнего диапазона пропущен внутри трубчатого проводника, формирующего две смежные стороны другой ромбической рамки вибратора нижнего диапазона.