Печатная антенна миллиметровых волн Российский патент 2019 года по МПК H01Q13/26 

Изобретение относится к технике антенн и предназначено для использования в радиотехнических устройствах для излучения электромагнитной энергии.

Известны антенны миллиметровых волн, выполненные на основе диэлектрического волновода, например, согласно АС СССР №1739414, №2517724, №2435260, а также Пат. США №20080303734 и др. Антенны содержат диэлектрический волновод, устройство связи диэлектрического волновода с входным прямоугольным волноводом. На диэлектрическом волноводе расположены периодически канавки с шагом равным длине волны в диэлектрическом волноводе. Излучение данных антенн обеспечено преобразованием поверхностной волны в диэлектрическом волноводе в объемную волну, происходящим при наличии нерегулярностей в направлении распространения волны (см.например Oliner A.A., Jacson D.K. Leaky wave antennas. Ch. 11 in Antenna Engineering Handbook. J.I .Volakis Ed. New York McGraw Hill. 2007 1755). Указанные антенны можно представить как антенные решетки с последовательным возбуждением излучающих элементов, образованных нерегулярностями в виде канавок в диэлектрическом волноводе (см. Ю.Е. Седельников, Е.Ю. Олейник, Мохамед Шаабан линейные антенные решетки квч диапазона на диэлектрических волноводах журнал радиоэлектроники №8 2018 http://jre.cplire.ru/jre/aug18/1/text.pdf).

Общим недостатком указанных антенн является ухудшение согласования антенны в режиме поперечного излучения. Так при расположении канавок на расстояниях друг от друга, равных длине волны в волноводе элементы решетки возбуждаются синфазно, что обеспечивает излучение антенны в направлении нормали к ее осевой линии. Поэтому координаты нерегулярностей равны где определяется количеством нерегулярностей на диэлектрическом волноводе. Электромагнитные волны, отраженные от m-й нерегулярности суммируются на входе антенны как т.е. синфазно. Кроме того, при расположении нерегулярностей с шагом, близким к длине волны в воздухе имеет место повышенный уровень дальних боковых лепестков в направлениях близких к оси антенны.

Наиболее близким аналогом является печатная антенна миллиметровых волн согласно АС СССР №1513546. Антенна содержит диэлектрический волновод, устройство возбуждения поверхностной волны (переход от прямоугольного волновода к диэлектрическому волноводу) в виде Е-секториального рупора и группу нерегулярностей в виде канавок, выполненных на диэлектрическом волноводе в шахматном порядке с шагом равным половине длины волны в волноводе, в точках на оси волновода с координатами

В указанной антенне уровень дальних боковых лепестков меньше по сравнению с аналогами, приведенными выше, так как межэлементное расстояние (шаг решетки) составляет величину близкую к половине длины волны в воздухе. Недостатком ближайшего аналога является недостаточное согласование антенны в режиме поперечного излучения.

Задачей изобретения является улучшение согласования антенны в режиме поперечного излучения.

Технический результат достигается за счет того, что в антенне, содержащей диэлектрический волновод, устройство возбуждения поверхностной волны (переход от прямоугольного волновода к диэлектрическому волноводу) в виде Е-секториального рупора и группы канавок в диэлектрическом волноводе, выполненных симметрично относительно оси волновода в точках с координатами Тогда волны, отраженные от каждой пары, имеют комплексные амплитуды, пропорциональные Г и и взаимно компенсируются. В результате суммарная отраженная волна от каждой пары канавок значительно снижается по сравнению с отраженной волной от одной нерегулярности (канавки). Входной коэффициент отражения соответственно также снижается.

На Фиг. 1 показана заявляемая антенна, на Фиг. 2 приведен рисунок, где представлена модель падающих отраженных и излученных волн в заявляемой антенне. На Фиг. 3 приведены данные электродинамического моделирования в среде CST Microwave Studio антенны-аналога и заявляемой антенны.

На Фиг. 1 обозначено: 1 - входной прямоугольный волновод, 2 - входной соединительный фланец, 3 - рупор, 4 - диэлектрический стержень, 5 - неоднородности в виде канавок в диэлектрическом стержне, 6 - выходной рупор, 7 - выходной прямоугольный волновод, 8 - выходной соединительный фланец.

Работа антенны осуществляется следующим образом. Электромагнитная волна Н₁₀, поступает через входной прямоугольный волновод 1 в Е-секториальный рупор 3, являющийся плавным переходом от волновода стандартного сечения к диэлектрическому волноводу, в виде диэлектрического стержня 4 с неоднородностями в виде канавок 5. В диэлектрическом стержне 4 возбуждается поверхностная электромагнитная волна со структурой близкой к волне НЕ₁₀ типа. Электромагнитная энергия распространяется в диэлектрическом стержне и в воздухе в области, практически ограниченной граничным радиусом поля, размеры которого составляют величину порядка удвоенного значения поперечным размером диэлектрического стержня (см. Д.М. Сазонов, А.Н. Гридин, Б.Н. Мишустин Устройства СВЧ М.: Высшая школа 1981 стр. 210). При наличии нерегулярностей в диэлектрическом стержне, в виде канавок 5, происходит преобразование поверхностной волны в объемную. В результате происходит излучение электромагнитной волны. Для каждой пары нерегулярностей комплексные амплитуды возбуждения левой и правой нерегулярностей пропорциональны и Каждая пара может рассматриваться как составной излучатель с комплексной амплитудой возбуждения и диаграммой направленности Антенна таким образом, представляет собой антенную решетку из синфазно возбуждаемых элементов и обеспечивает режим поперечного излучения.

Волны, отраженные от элементов каждой пары, имеют комплексные амплитуды, пропорциональные Г и и взаимно компенсируются (Фиг 2). В результате суммарная отраженная волна от каждой из пар канавок (нерегулярностей) значительно снижается по сравнению с отраженной волной от одной нерегулярности. Входной коэффициент отражения, соответственно также снижается.

Проведенные расчеты путем электродинамического моделирования в среде CST Microwave Studio подтверждают работоспособность предлагаемого устройства и решение задачи изобретения. Иллюстрирующие данные приведены на Фиг. 3.

Заявляемое устройство конструктивно и технологически выполнимо традиционными способами изготовления волноводных устройств СВЧ диапазона (Бушминский И.П. Изготовление элементов конструкций СВЧ. Волноводы и волноводные устройства М.: Высшая школа 1974). Детали, составляющие заявляемое устройство, могут быть выполнены: металлические части из латуни или другого хорошо проводящего металла, диэлектрический стержень - из высокочастотного диэлектрика, например, фторопласта, металлические полоски - выполнены методами печатной технологии.

Устройство может применяться для построения антенно-фидерных систем миллиметрового диапазона волн.

Использование: для направленного излучения и приема электромагнитных волн. Сущность изобретения заключается в том, что печатная антенна миллиметровых волн содержит диэлектрический волновод, устройство возбуждения поверхностной волны в виде Е-секториального рупора и группы неоднородностей в виде канавок, при этом канавки выполняются симметрично оси волновода в точках с координатами Технический результат: обеспечение возможности улучшения согласования антенны в режиме поперечного излучения. 3 ил.

Печатная антенна миллиметровых волн, содержащая диэлектрический волновод, устройство возбуждения поверхностной волны в виде Е-секториального рупора и группы неоднородностей в виде канавок, отличающаяся тем, что канавки выполняются симметрично оси волновода в точках с координатами .