УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ ВОЛНЫ Е В КРУГЛОМ ВОЛНОВОДЕ Российский патент 2017 года по МПК H01P1/16 

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнике, в частности к технике СВЧ и антенной технике, и может быть использовано в качестве облучателя моноимпульсной антенны в радиолокации, связи и отраслях техники, где используются антенны с разностной диаграммой направленности (ДН).

Известно устройство возбуждения волны E₀₁ штыревым вибратором, введенным через центральное отверстие в закорачивающей стенке круглого волновода и ориентированным вдоль оси волновода (Белоцерковский, Г.Б. Основы радиотехники и антенны. Часть 2. Антенны. - М.: Советское радио, 1969, с. 99, рис. 3.21). Недостаток этого устройства проявляется в том, что наличие закорачивающей стенки делает невозможным возбуждение через торец круглого волновода других мод (например, волны Н₁₁ круговой поляризации).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является многомодовая антенна (РФ №2022427, H01Q 13/00 от 30.10.1994), в состав которой входит устройство возбуждения волны E₀₁, содержащее отрезок круглого волновода, к которому перпендикулярно его оси присоединены четыре взаимно ортогональных отрезка прямоугольных волноводов (см. фиг. 2 патента РФ №2022427, H01Q13/00 от 30.10.1994). Для образования волны E₀₁ прямоугольные волноводы должны возбуждаться синфазно и равноамплитудно с помощью делителя мощности. Структурная схема устройства возбуждения волны E₀₁ представлена на фиг. 1б, где обозначены 1 - делитель мощности, 2 - элементы связи круглого волновода и выходов делителя мощности, 3 - круглый волновод, 4 - вход делителя мощности, являющийся входом устройства возбуждения волны E₀₁. В волноводном варианте делитель мощности 2 состоит из двух первичных тройников, попарно объединяющих отрезки волноводов, и третьего тройника, объединяющего первичные тройники.

Недостатком данного технического решения является сложность конструкции, обусловленная необходимостью применения тройников, объединяющих входы разно ориентированных прямоугольных волноводов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции устройства возбуждения волны E₀₁.

Данная задача решается за счет того, что устройство возбуждения волны E₀₁ в круглом волноводе содержит делитель мощности с N выходами, N элементов связи с круглым волноводом, равномерно расположенных в поперечном сечении на цилиндрической поверхности волновода, которые соединены с N выходами делителя мощности, вход которого является входом устройства возбуждения, причем делитель мощности выполнен в виде коаксиального резонатора, охватывающего круглый волновод, продольный размер резонатора кратен половине длины волны в свободном пространстве, вход делителя мощности выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода, соединенного с резонатором через элемент связи, N элементов связи с круглым волноводом выполнены непосредственно на внутренней цилиндрической стенке коаксиального резонатора.

В частном случае элементы связи с круглым волноводом выполнены в виде круглых отверстий, число N которых, диаметр и положение относительно поперечной стенки коаксиального резонатора выбирается из условия компромисса между рабочей полосой частот и осевой симметрией возбуждаемого поля.

В частном случае элементы связи с волноводом выполнены в виде поперечных щелей.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является простота и технологичность конструкции.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства возбуждения волны E₀₁ в круглом волноводе, где 1 - делитель мощности, 2 - элементы связи круглого волновода и выходов делителя мощности, 3 - круглый волновод, 4 - вход делителя мощности.

На фиг. 2 представлена конструкция заявляемого устройства возбуждения волны Е₀₁ в круглом волноводе (разрез по оси), где 1 - делитель мощности, выполненный в виде коаксиального резонатора, 2 - элементы связи резонатора с круглым волноводом, 3 - круглый волновод, в котором распространяется волна Е₀₁, 4 - прямоугольный волновод, который возбуждает коаксиальный резонатор через прямоугольную щель 5.

На фиг. 3 изображена 3D модель облучателя для формирования разностной ДН на базе устройства возбуждения волны E₀₁ в круглом волноводе.

На фиг. 4-6 представлены результаты моделирования в CST.

Устройство возбуждения волны Е₀₁ в круглом волноводе содержит делитель мощности с N выходами, N элементов связи с круглым волноводом, равномерно расположенных в поперечном сечении на цилиндрической поверхности волновода, которые соединены с N выходами делителя мощности, вход которого является входом устройства возбуждения, причем делитель мощности выполнен в виде коаксиального резонатора, охватывающего круглый волновод, а продольный размер резонатора кратен половине длины волны в свободном пространстве, вход делителя мощности выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода, соединенного с резонатором через элемент связи, N элементов связи с круглым волноводом расположены непосредственно на внутренней цилиндрической стенке коаксиального резонатора.

В частном случае элементы связи выполнены в виде круглых отверстий, число N которых, диаметр и положение относительно поперечной стенки коаксиального резонатора выбирается из условия компромисса между рабочей полосой частот и осевой симметрией возбуждаемого поля.

Работает устройство следующим образом: входной волновод 4 через щель 5 возбуждает резонатор 1. Поскольку продольный размер L кратен половине длины волны в свободном пространстве, то в коаксиальном резонаторе возбуждается волна типа Т, как в закороченной с двух сторон коаксиальной линии. Таким образом, поле в резонаторе 1 имеет осевую симметрию (не зависит от угловой координаты) и элементы связи 2, выполненные в виде равномерно расположенных по окружности волновода отверстий (или щелей), возбуждаются равномерно и синфазно, порождая волну Е₀₁ в волноводе 3.

Число отверстий, их диаметр и положение в резонаторе относительно торца влияет на связь с волноводом и, соответственно, на добротность резонатора, которая должна быть достаточно высокой, чтобы отсечь иные моды колебаний резонатора и тем самым обеспечить осевую симметрию поля, возбуждаемого в круглом волноводе 3. В итоге получается компактная и технологичная конструкция, в которой роль делителя мощности, равномерно возбуждающего N элементов связи 2, выполняет резонатор.

Представляется целесообразным использовать резонатор длиной λ₀ (n=2) и четыре или восемь щелей. При уменьшении зазора между внутренним и внешним радиусами резонатора возрастают потери и снижается его добротность. Окончательный выбор размеров резонатора и элементов связи осуществляется по результатам моделирования, поскольку вносимая элементами связи реактивность слегка расстраивает резонатор (смещает резонансную частоту от расчетного значения). Как обычно, в питающем волноводе 4 могут быть установлены настроечные штыри 7 для улучшения согласования и компенсации технологических разбросов.

Для создания однонаправленного возбуждения круглый волновод 3 может быть закорочен с одной стороны (см. фиг. 3) или стыковаться с круглым волноводом 6, в котором возбуждается волна H₁₁, например, вращающейся поляризации (см. фиг. 7). При этом радиус волновода 6 выбирается из условия, чтобы для волны E₀₁ он был запредельным волноводом. Подобная конструкция представляет интерес при создании многомодового облучателя для зеркальной антенны моноимпульсной РЛС.

На фиг. 3 изображена 3D модель облучателя для формирования разностной ДН на базе устройства возбуждения волны E₀₁ в круглом волноводе, в состав которого дополнительно введены конический рупор 6, два настроечных штыря 7 и заглушка 8.

На фиг. 4-6 представлены результаты моделирования в CST: частотная зависимость КСВН, ДН в объеме и в плоскости соответственно. Эти результаты подтверждают работоспособность заявляемого устройства возбуждения волны Е₀₁ в круглом волноводе: во-первых, на резонансной частоте устройство отлично согласовано (КСВН=1.2), во-вторых, осевая симметрия ДН и глубокий провал на уровне -30 дБ свидетельствуют о том, что возбуждается только волна E₀₁.

Дополнительным достоинством устройства может служить его частотная избирательность. Кроме того, заявляемое устройство органично сочетается с устройством возбуждения волны Н₁₁ (в том числе и вращающейся поляризации), что бывает необходимо для многомодовых облучателей. Подобная конструкция многомодового облучателя приведена на фиг. 7, где помимо вышеописанного устройства возбуждения волны E₀₁ изображена составная часть многомодового облучателя, формирующая волну Н₁₁ вращающейся поляризации. Она содержит прямоугольный волновод 9, повернутый на 45° относительно горизонтали. Это волновод возбуждает в круглом волноводе 10 волну Н₁₁ линейной поляризации, к которому пристыкована фазосдвигающая секция 11. Фазосдвигающая секция 11 выполнена в виде двух параллельных металлических пластин, уменьшающих вертикальный размер волновода 10. Она обеспечивает сдвиг фаз 90° между ортогональными составляющими поля волны Н₁₁. В круглом волноводе 6 распространяется волна Н₁₁ вращающейся поляризации. Поперечные размеры круглого волновода 6 выбраны таким образом, что он является запредельным волноводом для волны E₀₁ которая будет распространяться в направлении выхода облучателя (см. фиг. 2). Волна Е₀₁ формирует разностную ДН, а волна Н₁₁ вращающейся поляризации - суммарную ДН.

Устройство достаточно просто реализуется в виде составной или сварной конструкции. Его габариты и масса меньше, чем габариты и масса известных конструкций многомодовых облучателей на базе волноводных тройников или Т-мостов.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике СВЧ и антенной технике. Устройство возбуждения волны Ε₀₁ в круглом волноводе содержит делитель мощности с N выходами, N элементов связи с круглым волноводом, равномерно расположенных в поперечном сечении на цилиндрической поверхности волновода, которые соединены с N выходами делителя мощности, вход которого является входом устройства возбуждения. Делитель мощности выполнен в виде коаксиального резонатора, охватывающего круглый волновод, причем продольный размер резонатора кратен половине длины волны в свободном пространстве, вход делителя мощности выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода, соединенного с резонатором через элемент связи, N элементов связи с круглым волноводом расположены непосредственно на внутренней цилиндрической стенке коаксиального резонатора. Технический результат - упрощение конструкции. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство возбуждения волны Ε₀₁ в круглом волноводе, содержащее делитель мощности с N выходами, N элементов связи с круглым волноводом, равномерно расположенных в поперечном сечении на цилиндрической поверхности волновода, которые соединены с N выходами делителя мощности, вход которого является входом устройства возбуждения, отличающееся тем, что делитель мощности выполнен в виде коаксиального резонатора, охватывающего круглый волновод, причем продольный размер резонатора кратен половине длины волны в свободном пространстве, вход делителя мощности выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода, соединенного с резонатором через элемент связи, N элементов связи с круглым волноводом расположены непосредственно на внутренней цилиндрической стенке коаксиального резонатора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что элементы связи с круглым волноводом выполнены в виде круглых отверстий, число N которых, диаметр и положение относительно поперечной стенки коаксиального резонатора выбирается из условия компромисса между рабочей полосой частот и осевой симметрией возбуждаемого поля.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что элементы связи с волноводом выполнены в виде поперечных щелей.