Антенна эллиптической поляризации Российский патент 2019 года по МПК H01Q1/28 

Изобретение относится к антенной технике, а именно к щелевым антеннам эллиптической поляризации со слабонаправленной диаграммой направленности, предназначенным для использования в космической технике и в других радиолиниях связи между подвижными объектами, когда изменяется взаимная ориентация антенн.

Из уровня техники известны микрополосковые и щелевые слабонаправленные антенны эллиптической поляризации, предназначенные для использования в системах связи с подвижными объектами.

Микрополосковые антенны, предложенные в авторских свидетельствах СССР №1775743 и 1580469, патенте РФ №2601215, заявке ФРГ 10027512, содержат металлический диск, размещенный над экраном, возбуждаются одним зондом. Эллиптическая поляризация в этих антеннах формируется благодаря асимметрии полосковой структуры и соответствующему выбору точки подключения зонда. Однако при этом следует отметить, что при значениях полярного угла, близких к 90°, поляризация вырождается в линейную, а коэффициент усиления антенны существенно снижается. Кроме того, рассматриваемые антенны не являются широкополосными. В таких антеннах также не рассматривается возможность повышения коэффициента усиления при полярных углах, близких к 90°.

Известны антенны эллиптической поляризации (см., например, авторское свидетельство СССР 234479, патенты США 5010348, 4743918), содержащие отрезок круглого волновода, внутри которого возбуждается волна эллиптической поляризации. Такие антенны являются широкополосными, но для устройства, предложенного в патенте США 5010348 и для одной из разновидностей устройства, предложенного в патенте США 4743918, дополнительно требуется равноамплитудный квадратурный делитель мощности. Антенна, предложенная в авторском свидетельстве СССР 234479, имеет сравнительно большие продольные размеры - не меньше, чем 2 длины волны на средней частоте диапазона.

Известна щелевая антенна (см. патент РФ №2474933), в которой имеется крестообразная щель, возбуждаемая пространственным устройством распределения фазы и амплитуды, представляющим собой проводящую спираль, навитую на диэлектрический цилиндр, запитываемую через РЧ - соединитель от коаксиальной линии и расположенную внутри круглого волновода. Данная антенна обладает близкой к осесимметричной диаграммой направленности. Значение коэффициента эллиптичности при значениях полярного угла, близких к 90°, превышает соответствующие значения у упомянутых выше антенн. Однако конструкция пространственного устройства распределения амплитуды и фазы содержит несколько разнородных компонентов, включая диэлектрик, в устройстве неизбежно применение паяных соединений, что существенно уменьшает надежность всей антенны. Также в этой конструкции не рассматривается возможность увеличения коэффициента усиления антенны на границе передней полусферы.

Известна щелевая антенна, содержащая резонатор, закрытый перегородкой с крестообразной щелью (см. патент РФ №2386199), лишенная недостатков, связанных с использованием диэлектрика и сложностью конструкции. Данная антенна работает в широкой полосе частот, но ее диаграмма направленности не обладает высокой осевой симметрией. Кроме того, в антенне не рассматривается возможность обеспечить повышенное значение коэффициента усиления при величине полярного угла, близкой к 90°, а наличие в конструкции настроечного элемента вносит дополнительную асимметрию в диаграмму направленности и может создать проблемы при компоновке антенно-фидерной системы.

Из патента РФ №2427947 известна антенна, включающая возбуждающий элемент и рупорную насадку. Антенна выполнена в виде сочетания резонаторной щелевой антенны и содержит отражатель, форма которого позволяет реализовать диаграмму направленности, удовлетворяющую заданным требованиям по зависимости коэффициента усиления от полярного угла. Резонатор данной антенны не содержит диэлектрика. Недостатком данной антенны, ограничивающим ее использование в системах космической связи, является то, что она работает на линейной поляризации.

Из авторских свидетельств СССР 1390667, 139667, 140983, патентов РФ №140983 U1, 2032256 известны антенны, содержащие отражатели, выполненные в виде последовательно размещенных концентрических канавок прямоугольного в поперечном сечении профиля и ориентированных вдоль оси антенны. Такие антенны являются широкополосными, формируют близкую к осесимметричной диаграмму направленности. Однако конфигурация канавок, используемая в этих антеннах, реализует последовательное смещение донных площадок канавок и вершин, разделяющих канавки ребер в направлении передней полусферы антенны, что не предполагает формирование слабонаправленной диаграммы направленности и обусловливает использование таких антенн в качестве направленных, либо как облучателей зеркальных антенн.

Ближайшим аналогом изобретения является антенна, известная из патента РФ №2096872 (МПК H01Q 13/18, опубл. 20.11.1997). В соответствии с этим патентом антенна включает объемный резонатор, металлический диск, прямоугольную металлическую пластину и питающую коаксиальную линию.

Объемный резонатор этого решения выполнен в виде осесимметричного отрезка нерегулярного волновода - усеченного конуса, первый торец которого перекрыт металлическим основанием. Металлический диск расположен внутри резонатора вблизи его второго торца с зазором относительно его стенок с образованием кольцевой щели между диском и волноводом. Диск ориентирован параллельно основанию резонатора и расположен ему соосно.

Диск закреплен на основании резонатора через прямоугольную пластину с обеспечением электрической связи основания резонатора и диска. Прямоугольная пластина расположена перпендикулярно основанию резонатора и ориентирована вдоль его диаметра - в направлении оси резонатора. В этом изобретении ширина пластины выбрана равной радиусу диска, причем первый боковой торец пластины совмещен с торцом диска.

Внешний проводник питающей коаксиальной линии электрически соединен с основанием резонатора, а ее внутренний проводник подключен к диску вблизи его края с угловым смещением равным 45 градусов от пластины.

Кроме того, антенна снабжена дополнительно проводящими элементами, один конец каждого из которых соединен с диском, а другой через коммутирующие элементы с основанием резонатора. Помимо этого, антенна снабжена диэлектрической крышкой, которая перекрывает второй торец волновода.

Данная антенна эллиптической поляризации имеет малые размеры и благодаря настроечным элементам работает в широкой полосе частот.

Недостатком этой антенны является то, что при значении полярного угла, равном 90°, максимальное значение неравномерности диаграммы направленности составляет 3 дБ, а минимум коэффициента усиления равен минус 4 дБ. В то же время для слабонаправленных антенн, используемых в системах связи с космическими аппаратами, желательным является требование обеспечения коэффициента усиления не менее минус 1…2 дБ при значении полярного угла, равного 90° в любом азимутальном сечении.

Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением является создание слабонаправленной антенны эллиптической поляризации, широкополосной по коэффициенту стоячей волны по напряжению (КСВН) и по коэффициенту эллиптичности (КЭ) в сочетании с повышенной азимутальной равномерностью амплитудной и поляризационной диаграмм направленности, реализующей повышенные значения коэффициента усиления и коэффициента эллиптичности при значениях полярного угла, близких к 90°.

Техническая проблема решается следующим образом.

Антенна эллиптической поляризации, как и ближайший аналог, включает объемный резонатор, содержащий осесимметричный отрезок волновода и основание, перекрывающее первый торец волновода, и металлический диск, расположенный внутри резонатора с зазором относительно волновода и ориентированный параллельно его основанию и ему соосно.

Как и ближайший аналог, диск электрически соединен с основанием резонатора прямоугольной металлической пластиной, расположенной перпендикулярно основанию и ориентированной вдоль диаметрального направления диска, причем торец одной из боковых сторон пластины совмещен с краем диска.

Кроме того, антенна содержит питающую коаксиальную линию, внешний проводник которой электрически соединен с основанием резонатора, а внутренний проводник подключен к диску вблизи его края. При этом пластина отвернута от места соединения внешнего проводника с диском на острый угол.

В отличие от ближайшего аналога в изобретении волновод выполнен в виде цилиндра с внутренним диаметром от 0,48λ, до 0,51λ и высотой от 0,45λ до 0,5λ, где λ - здесь и далее длина волны в свободном пространстве на центральной частоте рабочего диапазона частот. Внутри волновода расположен диск на расстоянии от основания резонатора, не превышающем 0,22λ. Диск снабжен бортиком, пропущенным вдоль края диска на его стороне, обращенной к основанию резонатора. Ширина пластины выбрана меньшей диаметра диска на величину от 28 до 38 процентов. Второй торец волновода перекрыт металлической перегородкой, снабженной крестообразной щелью.

Выбор ширины пластины и ее отворот от места подключения внутреннего проводника коаксиальной линии к диску обеспечивает возбуждение в резонаторе волны эллиптической поляризации, направление вращения которой определяется направлением поворота пластины.

Соответствующие указанным выше величинам размеры волновода, расстояние от диска до основания резонатора, обеспечивают согласование резонатора с фидерным трактом. При выходе диаметра резонатора, высоты расположения диска и положения и размеров пластины за указанные пределы в резонаторе не возбуждается волна круговой поляризации и нарушаются условия согласования резонатора с фидерной линией.

Выполнение бортика с высотой, превышающей величину 0,07λ, образует совместно с охватывающей его стенкой резонатора короткий участок коаксиального волновода, не позволяющий волнам высших типов, возбуждаемым в резонаторе между основанием и диском, распространяться в область резонатора между диском и перегородкой, где они могут препятствовать оптимальному возбуждению крестообразной щели волной основного типа, ухудшая тем самым характеристики излучения антенны.

При меньшей высоте бортика от указанной величины ухудшается согласование антенны с фидерным трактом и снижается азимутальная равномерность амплитудной и поляризационной диаграмм направленности антенны.

Наличие металлической перегородки, снабженной крестообразной щелью в виде комбинации симметричных относительно оси волновода круговых секторов с центральным углом от 35 до 45 градусов и соосного волноводу небольшого отверстия, позволяет расширить диапазон рабочих частот антенны не только по КСВН, но и по КЭ.

В сравнении с формой щели, известной из патента РФ №2474933, предлагаемая в изобретении форма щели реализует более близкое к равномерному азимутальное распределение электрических и магнитных токов по внешней поверхности перегородки, что позволяет повысить азимутальную равномерность амплитудной и поляризационной диаграмм направленности.

Кроме того, указанное размещение перегородки относительно основания и выполнение ее с крестообразной щелью в заявляемом изобретении позволяет увеличить коэффициент усиления и коэффициент эллиптичности при значениях полярного угла, близких к 90.

В соответствии с изобретением антенна снабжена металлическим отражателем, выполненным в виде усеченной конусообразной формы. Меньшее основание отражателя электрически соединено с основанием резонатора, причем его диаметр равен внешнему диаметру волновода, а боковая поверхность выполнена в виде последовательно размещенных концентрических канавок, ориентированных вдоль оси волновода и отделенных друг от друга тонкими ребрами, соосными оси волновода. Выполнение отражателя в виде усеченной конусообразной формы, боковая поверхность которой выполнена в виде последовательно размещенных концентрических канавок, отделенных друг от друга тонкими ребрами, позволяет реализовать практически однородную в широком диапазоне полярных углов амплитудную диаграмму направленности антенны и близкие к осесимметричным по азимуту амплитудную и поляризационную диаграммы направленности антенны. Кроме того, ребристая поверхность отражателя, выполненная из последовательности канавок и ребер, позволяет избежать существенной деполяризации отраженной волны, что имеет место при использовании отражателя, выполненного с гладкой поверхностью. Это дополнительно повышает значение коэффициента усиления и коэффициента эллиптичности при значениях полярного угла, близких к 90 градусов.

Техническим результатом использования указанных признаков является разработка антенны космической связи, обеспечивающей увеличение минимального значения коэффициента усиления при значении полярного угла, равном 90 градусов, до плюс 0,75 дБ с неравномерностью не более 1,2 дБ, в сочетании с обеспечением минимального значения коэффициента эллиптичности на уровне 0,25. При этом в диапазоне частот 7,6-8,8 ГГц КСВН антенны не превышает величины 1,2, а коэффициент эллиптичности антенны в осевом направлении в диапазоне частот 7,8-8,7 ГГц не меньше 0,7.

Помимо этого, предлагаемая антенна реализует неравномерность коэффициента усиления по полярному углу, не превышающую 1,4 дБ в интервале полярных углов от 0 до 90 градусов и обеспечивает величину коэффициента эллиптичности не менее 0,7 в интервале полярных углов от 0 до 60 градусов.

В сравнении с ближайшим аналогом антенна обеспечивает уменьшение неравномерности диаграммы направленности в азимутальной (горизонтальной) плоскости на 1,6 дБ и увеличения коэффициента усиления в направлении горизонта на 4,75 дБ.

Кроме того, перегородка волновода может быть выполнена в виде усеченного конуса с углом при вершине от 160 до 175 градусов. Такая форма перегородки позволяет дополнительно увеличить коэффициент усиления антенны в области полярных углов, близких к 90°.

Пластина и один из секторов крестообразной щели могут быть отвернуты от места подключения внутреннего проводника питающей коаксиальной линии к диску в противоположных направлениях, причем пластина может быть отвернута от места подключения внутреннего проводника питающей коаксиальной линии к диску на угол от 40 до 50 градусов, а ось симметрии одного из секторов крестообразной щели - на угол в пределах от 21 до 23 градусов. Указанные диапазоны углов поворота позволяют реализовать уменьшение неоднородности амплитудной и поляризационной диаграмм направленности по азимуту.

Выполнение всех элементов антенны из металлических материалов позволяет использовать антенну в космических аппаратах для исследования Солнца с близкого расстояния, когда температура антенны может достигать 600 градусов С.

Изобретение иллюстрируется следующими материалами:

- на фиг. 1 представлен общий вид антенны в аксонометрии со стороны передней полусферы,

- на фиг. 2 представлен вид антенны спереди (вид В с фиг. 1),

- на фиг. 3 представлена схема антенны в соответствии с разрезом Г-Г с фиг. 2,

- на фиг. 4 показано размещение внутреннего проводника коаксиальной линии в сквозном канале антенны (сечение А-А с фиг. 3),

- на фиг. 5 представлена схема взаимного расположения пластины относительно внутреннего проводника коаксиальной линии (фрагмент разреза Б-Б с фиг. 3),

- на фиг. 6 представлено взаимное расположение пластины относительно оси волновода и диска в продольном сечении антенны (сечение Д-Д с фиг. 5),

- на фиг. 7 представлена конструктивная схема крестообразной щели (вид Е с фиг. 3) в сочетании со схемой взаимного расположения крестообразной щели пластины относительно внутреннего проводника коаксиальной линии,

- на фиг. 8 представлена схема канавок отражателя и их взаимного расположения относительно второго торца резонатора,

- на фиг. 9 представлена зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) от частоты,

- на фиг. 10 представлена зависимость коэффициента эллиптичности антенны от частоты,

- на фиг. 11 представлен график амплитудной диаграммы направленности антенны в плоскости, образованной продольной и поперечной осями антенны,

- на фиг. 12 представлен график поляризационной диаграммы направленности антенны в плоскости, образованной продольной и поперечной осями антенны,

- на фиг. 13 представлен график амплитудной диаграммы направленности антенны в плоскости горизонта,

-на фиг. 14 представлен график поляризационной диаграммы направленности антенны в плоскости горизонта.

В представленных материалах элементы антенны обозначены следующими позициями:

1 волновод,

10 ось волновода,

11 поперечная ось антенны,

13 второй торец волновода,

2 основание,

3 диск,

31 кольцевой бортик диска,

41 внутренний проводник коаксиальной линии,

42 внешний проводник коаксиальной линии,

43 зонд,

5 прямоугольная пластина,

51 ось симметрии пластины в поперечном сечении (см. фиг. 5),

52 ось симметрии пластины в продольном сечении (см. фиг. 6),

6 перегородка,

61 крестообразная щель,

62 центральное отверстие перегородки,

63 ось симметрии сектора крестообразной щели (см. фиг. 6),

7 отражатель,

71, 72, 73, 74, 75, 76 первая, вторая, третья, четвертая, пятая, шестая канавка соответственно,

711, 721, 731, 741, 751, 761 ребро первой, второй, третьей, четвертой, пятой, шестой канавки соответственно,

77 сквозной канал.

Для определенности в описании взаимного расположения элементов продольной осью антенны условимся считать продольную ось 10 волновода 1 резонатора антенны. Поперечной осью 11 антенны условимся считать ось, перпендикулярную оси волновода 10 и пересекающую ось внутреннего проводника коаксиальной линии, а ее положительным направлением - направление от оси волновода 10 к точке подключения внутреннего проводника к диску.

Без ограничения общности условимся:

- терминами «внешний» и «внутренний» обозначать элементы или поверхности конструктивных элементов антенны, которые расположены дальше или ближе к продольной оси 10 антенны в поперечном сечении (за исключением элементов коаксиальной линии 41, 42),

- плоскостью горизонта или азимутальной плоскостью обозначать плоскость большего основания отражателя 7 антенны (см. фиг. 8),

- полярным углом (9) считать угол, отсчитываемый от оси волновода 10 до луча, проведенного из центра большего основания отражателя, как показано на фиг. 8,

- азимутальным углом (ϕ) считать угол, отсчитываемый в плоскости горизонта от поперечной оси 11 против часовой стрелки при наблюдении со стороны передней полусферы антенны (см. фиг. 5, 7).

В целях однозначного понимания, условимся коэффициент эллиптичности определять по соотношению:

где А_осн и А_кросс - амплитуды кругополяризованных волн основной и кросс - поляризаций соответственно.

Заявляемая антенна устроена следующим образом.

В соответствии с изобретением антенна (см. фиг. 1, 2, 3) включает объемный резонатор, металлический диск 2 и питающую коаксиальную линию.

Объемный резонатор содержит выполненный в виде цилиндра волновод 1 и основание 2, перекрывающее первый торец волновода. Волновод 1 выполнен в виде цилиндра с внутренним диаметром 0,48λ до 0,51λ и высотой от 0,45λ, до 0,5λ.

Металлический диск 3 расположен внутри волновода 1 с зазором 5 (см. фиг. 5) относительно его внутренней стенки с образование круговой щели между диском 3 и внутренней поверхностью волновода 1. Величина зазора 5 должна удовлетворять соотношению:

где R - внутренний радиус волновода, а λ_max - длина волны на нижней частоте рабочего диапазона.

Диск 3 ориентирован параллельно основанию 2 резонатора соосно оси 10 волновода. В соответствии с изобретением диск 3 расположен на расстоянии , не превышающим 0,22λ, от основания 2 резонатора (см. фиг. 6). В наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения расстояние от диска 3 до основания 2 целесообразно выбрать большим величины 0,18λ.

Диск 3 электрически соединен с основанием 2 резонатора прямоугольной металлической пластиной 5, расположенной перпендикулярно основанию 2. Пластина 5 ориентирована вдоль диаметрального направления диска - как показано на фиг. 5, 6, 7, ось 10 волновода 1 расположена в плоскости симметрии 51 пластины 5 в поперечном сечении резонатора. В соответствии с изобретением ширина S металлической пластины 5 (см. фиг. 6) выбрана меньшей диаметра диска на 28-38 процентов, причем торец одной из боковых сторон пластины 5 совмещен с краем диска 3, как показано на фиг. 5, 6, за счет чего ось симметрии 52 пластины 5 в продольном сечении расположена со смещением относительно оси волновода 10.

В соответствии с изобретением диск 3 снабжен прямоугольным в сечении бортиком 31 высотой не менее 0,07λ, пропущенным вдоль края диска 3 на его стороне, обращенной к основанию 2 резонатора (см. фиг. 3, 6). В наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения высоту бортика целесообразно выбрать близкой к 0,075λ. Ширина бортика - его размер в поперечном сечении резонатора, может быть выбрана из диапазона от 0,017λ до 0,020λ. Как показано на фиг. 3, 5, бортик 31 пропущен по краю диска 3 за исключением места расположения соединения с диском пластины 5 и места крепления к диску 3 зонда 43 питающей коаксиальной линии.

В соответствии с изобретением второй торец 13 волновода 1 перекрыт выпуклой металлической перегородкой 6, которая может быть выполнена в виде усеченного конуса с углом при вершине от 160 до 175 градусов. В соответствии с изобретением перегородка 6 снабжена крестообразной щелью 61. Крестообразная щель 61 образована (см. фиг. 7) четырьмя прорезями, выполненными в виде сочетания симметричных круговых секторов, и соосного волноводу 1 отверстия 62. В соответствии с изобретением каждый из секторов крестообразной щели 61 выполнен с центральным углом α, значение которого заключено в пределах от 35 до 45 градусов. Наиболее предпочтительно сектора крестообразной щели в поперечном направлении ограничить дугой с радиусом Rщ величиной 0,18λ-0,20λ. Осевое отверстие 62 в наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения целесообразно выполнить с диаметром Dотв, выбранным из диапазона от 0,039λ до 0,044λ.

Упомянутая питающая коаксиальная линия (см. фиг. 3) содержит внешний 42 и внутренний 41 проводники. Внешний 42 проводник питающей коаксиальной линии электрически соединен с металлическим отражателем 7 и через него, основание 2 резонатора и пластину 5 электрически соединен с диском 3.

Внутренний 41 проводник питающей коаксиальной линии (см. фиг. 3, 4, 5, 7) ориентирован перпендикулярно диску 3 и через цилиндрический зонд 43 электрически соединен с диском 3. Подключение внутреннего проводника 41 к диску 3 наиболее предпочтительно выполнить, снабдив антенну каналом 77, пропущенным сквозь отражатель и основание 2 резонатора, и поместив в него изолированно от его стенок внутренний проводник 41.

Как показано на фиг. 3, внешний проводник 42 и расположенный внутри канала 77 внутренний проводник 41 соединены с коаксиальной фидерной линией.

В соответствии с изобретением пластина 5 отвернута от точки подключения внутреннего проводника 41 к диску 3 на угол β, заключенный в пределах от 40 до 50 градусов, как показано на фиг. 7. При этом ось симметрии 63 одного из секторов крестообразной щели повернута в противоположном направлении от точки подключения внутреннего проводника 41 на угол ϒ, заключенный в пределах от 21 до 23 градусов.

В соответствии с изобретением антенна снабжена упомянутым металлическим отражателем 7. Отражатель 7 выполнен в виде усеченной конусообразной формы - формы, образованной разновеликими основаниями и боковой поверхностью, в наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения угол наклона боковой поверхности отражателя к оси 10 волновода может быть выбран из диапазона от 40 до 45 градусов. Меньшее основание отражателя 7 электрически соединено с основанием 2 резонатора, причем диаметр меньшего основания отражателя равен внешнему диаметру волновода 1.

Боковая поверхность отражателя 7 выполнена в виде последовательно размещенных круговых ступенек (см. фиг. 8), на которых выполнены концентрические канавки с прямоугольным профилем, которые ориентированы вдоль оси 10 волновода. В наиболее предпочтительном варианте выполнения отражатель 7 может быть снабжен шестью концентрическими канавками 71-76 (см. фиг. 2, 8), отделенными друг от друга тонкими концентрическими ребрами 711, 721, 731, 741, 751, 761, соосными оси 10 волновода (см. фиг. 1, 8).

Наиболее предпочтительно внутренний диаметр первой 71 из канавок - канавки, расположенной на наименьшем в сравнении с другими канавками расстоянии от оси волновода, выбрать равным диаметру волновода 1, как показано на фиг. 3, 8. Наиболее предпочтительно дно первой 71 канавки удалить от второго торца 13 волновода на расстояние L₁, заключенное в пределах от 0,73λ до 0,77λ. Расстояние от донных площадок до второго торца 13 волновода последующих канавок целесообразно увеличивать при переходе к каждой последующей канавки на 0,11-0,21λ. В соответствии с изобретением ширина канавок S₁…S₆ может быть выбрана из диапазона от 0,07 до 0,17λ, а высота ребер H₁…Н₆ канавок при этом может быть выбрана из диапазона от 0,21 до 0,28λ.

Конкретная геометрия канавок отражателя определяется поверочными расчетами и результатами экспериментальной отработкой антенны.

Антенна работает следующим образом.

Внешний проводник коаксиальной линии, замкнутый через отражатель на резонатор и через пластину на диск, и внутренний проводник коаксиальной линии, замкнутый через зонд, присоединенный к диску, при распространении в коаксиальной линии электромагнитной ТЕМ - волны возбуждают в резонаторе между основанием и диском несколько типов волн, структура основных из которых аналогична структуре волн Е₁₁ и Н₁₁ в круглом коаксиальном волноводе.

При выбранных геометрических параметрах резонатора волна, аналогичная волне Е₁₁ в круглом коаксиальном волноводе, затухает по мере удаления от основания резонатора, однако при этом происходит перераспределение энергии электромагнитного поля в волну основного типа, являющуюся аналогом поляризационно вырожденной волны Н₁₁ в круглом коаксиальном резонаторе.

Пластина, расположенная в резонаторе, снимает поляризационное вырождение и перераспределяет энергию электромагнитного поля в волну круговой поляризации с направлением вращения в соответствии с направлением отворота пластины относительно точки подключения внутреннего проводника коаксиальной линии.

Бортик, пропущенный вдоль края диска на стороне, обращенной к основанию резонатора, образует совместно с расположенным напротив него цилиндрическим участком стенки резонатора коаксиальный цилиндрический волновод и обеспечивает прохождение через кольцевую щель между диском и стенкой резонатора волны основного типа H₁₁ коаксиального цилиндрического волновода и быстрое затухание высших типов волн.

В результате между диском и перегородкой антенны существует волна круговой поляризации, которая возбуждает крестообразную щель с амплитудным и фазовым распределением, необходимым для излучения в окружающее пространство волны круговой, или, в общем случае, эллиптической поляризации.

Отражатель антенны с поверхностью, выполненной в виде отделенных друг от друга тонкими ребрами кольцевых канавок, переотражает в окружающее пространство попадающую на него часть электромагнитного излучения крестообразной щели. При этом в кольцевых канавках, являющихся, по сути, открытыми коаксиальными резонаторами, возбуждаются кругополяризованные волны основного типа, которые формируют совокупность излучаемых пространственных гармоник, обеспечивающих, при соответствующем выборе геометрических параметров канавок, равномерность диаграммы направленности антенны по полярному углу и увеличение коэффициента усиления в области полярных углов, близких к 90 градусам.

На фиг. 9-14 представленные результаты расчета характеристик антенны с использованием программы электродинамического моделирования CST-STUDIO. Результаты расчетов показывают эффективность предложенной конструкции антенны для использования в частотном диапазоне от 7,8 до 8.7 ГГц.

В диапазоне 7,8-8,7 ГГц, используемом в радиолиниях космической связи, разработанная конструкция антенны позволяет обеспечить величину коэффициента эллиптичности в осевом направлении более 0,7, а величину коэффициента стоячей волны по напряжению не более 1,16 (см. фиг. 9, 10). Коэффициент усиления антенны в диапазоне полярных углов от 0 до 90 градусов на частоте 8,4 ГГц в любом азимутальном сечении лежит в диапазоне от 0,75 до 2,7 дБ, при этом на большем участке этого диапазона неравномерность коэффициента усиления не превышает 1,8 дБ (см. фиг. 11). В том же диапазоне углов коэффициент эллиптичности не опускается ниже величины 0,27 и его максимальное значение достигает величины 0,95 (см. фиг. 12). В плоскости горизонта (θ=90 градусов, см. фиг. 8) величина коэффициента усиления лежит в пределах от 0,8 до 2дБ (см. фиг. 13), а коэффициент эллиптичности изменяется в пределах от 0,27 до 0,38.

Приведенные выше реализованные радиотехнические характеристики антенны позволяют обеспечить устойчивую радиосвязь между КА и наземной станцией при любой ориентации КА относительно наземной антенны при использовании двух таких антенн, установленных на КА и ориентированных в противоположных направлениях. При этом достигнутая равномерность диаграммы направленности и повышенное значение коэффициента усиления и коэффициента эллиптичности антенны в плоскости горизонта позволяют обеспечить значительный запас энергетического потенциала радиолинии.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является разработка антенны космической радиосвязи, излучающей или принимающей электромагнитные волны эллиптической поляризации в широкой полосе частот, формирующей близкие к осесимметричным амплитудную и поляризационную диаграммы направленности с увеличенными значениями коэффициента усиления и коэффициента эллиптичности в плоскости полярного угла θ=90 градусов. Антенна включает объемный резонатор, содержащий цилиндрический волновод и основание, перекрывающее первый торец волновода, и металлический диск, расположенный внутри резонатора с зазором относительно волновода и соединенный с основанием прямоугольной металлической пластиной. Внутренний проводник коаксиальной линии подключен к диску вблизи его края. В соответствии с изобретением диск снабжен бортиком с высотой не менее 0,07λ, пропущенным вдоль края диска на его стороне, обращенной к основанию резонатора, а ширина упомянутой металлической пластины выбрана на 28-38 % меньшей диаметра диска. Второй торец волновода перекрыт металлической перегородкой, снабженной крестообразной щелью, образованной четырьмя прорезями, выполненными в виде сочетания симметричных относительно оси волновода круговых секторов с центральным углом от 35 до 45 градусов и соосного волноводу небольшого отверстия. Кроме того, антенна снабжена металлическим отражателем, выполненным в виде усеченной конусообразной формы. Боковая поверхность отражателя выполнена в виде последовательно размещенных концентрических канавок, ориентированных вдоль оси волновода и отделенных друг от друга тонкими ребрами, соосными оси волновода. Две антенны, выполненные в соответствии с изобретением, позволяют обеспечить устойчивую радиосвязь между космическим аппаратом и наземной станцией при любой ориентации КА относительно наземной пункта. 2 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Антенна эллиптической поляризации включает объемный резонатор, содержащий осесимметричный отрезок волновода и основание, перекрывающее первый торец волновода,

и металлический диск, расположенный внутри резонатора с зазором относительно волновода, ориентированный параллельно его основанию и соосно ему, при этом диск электрически соединен с основанием резонатора прямоугольной металлической пластиной, расположенной перпендикулярно основанию и ориентированной вдоль диаметрального направления диска, причем торец одной из боковых сторон пластины совмещен с краем диска,

кроме того, антенна включает питающую коаксиальную линию, внешний проводник которой электрически соединен с основанием резонатора, а внутренний проводник подключен к диску вблизи его края, при этом пластина отвернута от места соединения внутреннего проводника с диском на острый угол,

отличающаяся тем, что

волновод выполнен в виде цилиндра с внутренним диаметром от 0,48 до 0,51 λ и высотой от 0,45 до 0,5 λ, где λ - здесь и далее длина волны в свободном пространстве на центральной частоте рабочего диапазона частот,

диск расположен от основания резонатора на расстоянии, не превышающем 0,22 λ, и снабжен бортиком с высотой не менее 0,07 λ, пропущенным вдоль края диска на его стороне, обращенной к основанию резонатора,

при этом ширина упомянутой металлической пластины выбрана на 28-38 % меньшей диаметра диска,

второй торец волновода перекрыт металлической перегородкой, снабженной крестообразной щелью, образованной четырьмя прорезями, выполненными в виде сочетания симметричных относительно оси волновода круговых секторов с центральным углом от 35 до 45 градусов и соосного волноводу небольшого отверстия,

кроме того, антенна снабжена металлическим отражателем, выполненным в виде усеченной конусообразной формы, при этом меньшее основание отражателя электрически соединено с основанием резонатора, причем его диаметр равен внешнему диаметру волновода, а боковая поверхность выполнена в виде последовательно размещенных концентрических канавок, ориентированных вдоль оси волновода и отделенных друг от друга тонкими ребрами, соосными оси волновода.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что перегородка волновода выполнена в виде усеченного конуса с углом при вершине от 160 до 175 градусов.

3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что один из секторов крестообразной щели отвернут от места подключения внутреннего проводника питающей коаксиальной линии к диску в направлении, противоположном направлению отворота пластины, причем пластина отвернута от места подключения внутреннего проводника питающей коаксиальной линии к диску на угол от 40 до 50 градусов, а ось симметрии одного из секторов крестообразной щели - на угол в пределах от 21 до 23 градусов.