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 другие. Антенны содержат диэлектрический волновод, устройство связи диэлектрического волновода с входным прямоугольным волноводом. На диэлектрическом волноводе расположены периодически металлические полоски 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 А.А., Jacson D.K. Leaky wave antennas. Ch. 11 in Antenna Engeneering Handbook. J.I. Volakis Ed. New York McGraw Hill. 2007 1755 p.

Общим недостатком указанных антенн является то, что они являются эквидистантными антенными решетками из излучающих элементов, установленных на расстояниях, равных длине волны в диэлектрическом волноводе, составляющей величину, близкую к длине волны в воздухе: λ_волн=γ⋅λ_возд, где γ<1.1…1.2. В этих случаях в направлениях, близких к осевым имеет место, повышенный уровень боковых лепестков в диаграмме направленности антенны (ДН), обусловленный близостью вторичных максимумов, определяемых условием

Указанный недостаток устранен в антенне согласно АС СССР №1513546. В антенне металлические полоски установлены асимметрично относительно оси волновода с шагом, равным половине длины волны в волноводе. Недостатком указанных антенн является то, что в устройстве преобразования волны во входном прямоугольном волноводе в поверхностную волну в диэлектрическом волноводе часть энергии излучается, в результате чего возрастает уровень дальних боковых лепестков в направлении противоположном входу антенны (в направлениях, близких направлению распространения поверхностной волны). Частично указанный недостаток устраняется использованием диэлектрических желобковых волноводов, представляющих собой металлический желоб с установленным в нем диэлектрическим стержнем (см., например, В.И. Классен и др. Плоские антенны K_а диапазона для перспективных средств телекоммуникаций. ЭЛЕКТРОСВЯЗЬ ⏐4⏐ 2017 стр. 60).

Наиболее близким по технической сущности аналогом является Печатная антенна миллиметровых волн согласно АС СССР №1513546. Антенна содержит желобковый диэлектрический волновод, устройство возбуждения поверхностной волны (переход от прямоугольного волновода к желобковому диэлектрическому волноводу) в виде Е-секториального рупора и две группы металлических полосковых проводников, установленных в шахматном порядке относительно оси диэлектрического волновода с шагом равным половине длины волны в волноводе.

Недостатком прототипа является наличие потерь на излучение при преобразовании волны Н₁₀ во входном металлическом волноводе в поверхностную волну, распространяющуюся в желобковом диэлектрическом волноводе. Наличие частичного излучения рупорного устройства возбуждения увеличивает уровень дальнего бокового излучения антенны в направлениях, близких направлению распространения поверхностной волны и снижает коэффициент направленного действия (КНД) антенны.

Техническим результатом изобретения является увеличение КНД антенны и снижение уровня дальних боковых лепестков в ДН антенны.

Поставленная задача решается за счет того, что в антенне содержащей диэлектрический стержень с двумя группами металлических проводников, установленных асимметрично относительно оси стержня с шагом, равным половине длины волны в диэлектрическом волноводе и устройство возбуждения поверхностной волны в виде Е-секториального рупора, диэлектрический стержень устанавливается в прямоугольном волноводе с размером в Е плоскости не менее удвоенного значения толщины диэлектрического стержня, электрически соединенным с рупором по всему периметру поперечного сечения волновода, в верхней стенке которого симметрично оси волновода прорезана щель с шириной значительно меньшей размера волновода в Н-плоскости.

На Фиг. 1 показаны 1 - входной прямоугольный волновод, 2 - соединительный фланец, 3 - рупор, 4 - прямоугольный волновод увеличенного сечения, 5 - щель в верхней стенке прямоугольного волновода, 6 - диэлектрический стержень, 7 - металлические полоски.

На Фиг. 2 приведены расчетные ДН антенны прототипа и заявляемой антенны, полученные в среде электродинамического моделирования CST Microwave Studio

Работа антенны осуществляется следующим образом. Электромагнитная волна Н₁₀, поступает через входной прямоугольный волновод 2 в Е-секториальный рупор 3, являющимся плавным переходом от волновода стандартного сечения к волноводу с увеличенным размером поперечного сечения в Е- плоскости 4. В диэлектрическом стержне 6 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 поперечного размера диэлектрического стержня (см. Д.М. Сазонов, А.Н. Гридин, Б.Н. Мишустин Устройства С ВЧ М.: Высшая школа 1981 стр. 210). Поэтому наличие верхней стенки металлического волновода практически не влияет на распространение волны в диэлектрическом стержне, а наличие щели 5 в верхней стенке не приводит к заметному излучению электромагнитных волн указанной структурой. При наличии нерегулярностей в диэлектрическом стержне в виде металлических полосок 7 происходит преобразование поверхностной волны в объемную, возникают электрические токи на верхней стенке волновода. В результате происходит излучение электромагнитной волны через щель 5. Электрическая длина щели выполняется кратной половине длины волны в воздухе. При расположении нерегулярностей в шахматном порядке с шагом равным половине длины волны в диэлектрическом волноводе токи, вызванные наличием нерегулярностей, синфазны, что обеспечивает режим поперечного излучения антенны, т.е. в направлении нормали к верхней стенке волновода. Поставленная цель обеспечивается тем, что в антенне отсутствуют потери на излучение в рупорном устройстве возбуждения поверхностной волны.

Проведенные расчеты путем электродинамического моделирования в среде CST Microwave Studio подтверждают работоспособность предлагаемого устройства и решение задачи изобретения.

Иллюстрирующие данные приведены на Фиг. 2.

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.

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 антенна содержит диэлектрический стержень с двумя группами металлических проводников, установленных асимметрично оси стержня с шагом, равным половине длины волны в диэлектрическом волноводе, устройство возбуждения поверхностной волны в виде Е-секториального рупора, диэлектрический стержень устанавливается в прямоугольном волноводе увеличенного размера в E-плоскости, волновод выполняется электрически соединенным с Е-секториальным рупором по всему периметру поперечного сечения волновода, в верхней стенке которого по оси симметрии волновода прорезана щель. Технический результат: обеспечение возможности увеличения КПД антенны и снижения уровня дальних боковых лепестков в ДН антенны. 2 ил.

Антенна миллиметровых волн, содержащая диэлектрический стержень с двумя группами металлических проводников, установленных асимметрично оси стержня с шагом, равным половине длины волны в диэлектрическом волноводе, и устройство возбуждения поверхностной волны в виде Е-секториального рупора, отличающаяся тем, что диэлектрический стержень устанавливается в прямоугольном волноводе с размером в Ε-плоскости не менее удвоенного значения толщины диэлектрического стержня, волновод выполняется электрически соединенным с Е-секториальным рупором по всему периметру поперечного сечения волновода, в верхней стенке которого по оси симметрии волновода прорезана щель с шириной, значительно меньшей размера волновода в Н-плоскости.