Антенный элемент круговой поляризации Российский патент 2020 года по МПК H01Q13/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для построения активных фазированных антенных решеток (АФАР) круговой поляризации вплоть до миллиметрового диапазона включительно, где шаг решетки, как правило, значительно превышает длину волны вследствие ее значений меньших относительно поперечного габарита радиотракта.

Уровень техники

Известна диэлектрическая антенна (патент SU №1374311, МПК H01Q13/24, опубл. 15.02.1988), которая содержит круглый волновод с фланцем, в открытом конце которого соосно расположен диэлектрический стержень, выступающий за пределы круглого волновода, и диэлектрическую втулку, расположенную вокруг выступающей части диэлектрического стержня. Выступающая часть диэлектрического стержня выполнена со скачкообразным уменьшением диаметра в плоскости открытого конца круглого волновода, диэлектрическая втулка расположена на диэлектрическом стержне без зазора, при этом толщина ее стенок выполнена линейно уменьшающейся от середины к концам, а на фланце выполнены концентрические канавки.

Известна диэлектрическая антенна (патент SU №1241325, опубл. 30.06.1986), которая состоит из отрезка волновода и диэлектрического стержня, установленного в раскрыве отрезка волновода, с целью повышения коэффициента направленного действия (КНД). Для формирования поля круговой поляризации дополнительно введена спираль, намотанная на диэлектрический стержень, начиная от плоскости раскрыва отрезка волновода, при этом конец диэлектрического стержня, входящий внутрь отрезка волновода, заканчивается пирамидальным переходом для снижения потерь на обратное отражение на границе сред воздух-диэлектрик.

Недостатком известных технических решений является формирование замедляющей структуры на основе диэлектрического материала. В применении к миллиметровому диапазону волн для эффективного возбуждения поверхностной волны вдоль диэлектрического стержня требуется, чтобы его диэлектрическая проницаемость составляла значение не более двойки. Материалов, удовлетворяющих такому условию, крайне мало, и как правило, они неустойчивы к механическим воздействиям в силу наличия внутренних воздушных полостей. Требования на технологическую точность на частотах, превышающих 20 ГГц, значительно осложняют способ производства таких стержней, для которого наиболее подходит использование технологии литья. Наличие концентрических канавок на фланце открытого волновода для первого технического решения существенно снижает его пригодность в качестве антенного элемента электрически сканирующей решетки из-за нарушения условия выбора шага. Отсутствие поляризатора не позволяет формировать поле излучения круговой поляризации, которая, например, крайне необходима в негеостационарных системах спутниковой связи. Использование спирали с этой целью, как сделано во втором техническом решении, частично решает указанную проблему, но практически не пригодно для миллиметрового диапазона волн вследствие технических ограничений, и теоретически не обеспечивает высокое значение коэффициента эллиптичности выше 0,9.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является антенна (патент SU №1078512, опубл. 07.03.1984), содержащая коаксиальный волновод, внешний проводник которого соединен с коническим рупором, и стержневую замедляющую структуру, соединенную с центральным проводником коаксиального волновода, с целью повышения коэффициента усиления, в коническом рупоре соосно со стержневой замедляющей структурой установлен биконический диэлектрический переход, выполненный в виде усеченных конусов, соединенных друг с другом большими основаниями, причем диаметр одного из меньших оснований, равен внутреннему диаметру внешнего проводника коаксиального волновода, а диаметр другого равен внешнему диаметру стержневой замедляющей структуры, стержневая замедляющая структура выполнена в виде металлического стержня с диэлектрическим покрытием, на котором установлены металлические кольца переменной ширины, расположенные на расстоянии друг от друга, равном длине поверхностной волны, причем ширина металлических колец при удалении от конического рупора возрастает по линейному закону, а затем убывает по тому же закону.

Недостатком данного устройства является выполнение замедляющей структуры из отдельных деталей, в том числе металлических колец, что увеличивает время сборки, снижает технологичность и точность производства антенны, а наличие коаксиальной линии, напрямую соединяемой со стержнем, формирует такое распределение поля на участке подвода СВЧ энергии, которое не позволяет обеспечить возбуждение волны круговой поляризации.

Сущность изобретения

Техническая задача направлена на создание антенного элемента круговой поляризации, позволяющего строить АФАР с использованием сверхширокополосных сигналов в миллиметровом диапазоне и межэлементном шаге, превышающим длину волны, без появления высоких побочных максимумов.

Техническим результатом предложенного решения является повышение коэффициента эллиптичности до значения не менее 0,95 антенного излучателя.

Технический результат достигается тем, что

- антенный элемент круговой поляризации содержит круглый волновод, открытый конец которого переходит в конический рупор, а вход соединен с волноводным трансформатором на прямоугольное зауженное сечение,

- в круглый волновод установлена диэлектрическая пластина поляризатора с заданной топологией, при этом пластина выполнена несимметричной формы относительно оси волновода, а поляризатор ориентирован относительно вектора напряженности электрического поля на оси волновода под углом в пределах 45±5°,

- в раскрыве рупора расположена диэлектрическая вставка с центральным сквозным отверстием, в которой закреплен металлический стержень, входящий внутрь полости рупора, а длинная выступающая над диэлектрической вставкой часть металлического стержня выполнена в виде гребенчатой структуры, образованной кольцами, расположенными вдоль него, заданных диаметров и толщин значением не более 0,15 длины волны верхней границы рабочего диапазона,

- вблизи апертуры рупора диаметр колец увеличивается, а на конце металлического стержня уменьшается до его поперечного размера.

Использование круглого волновода и конического рупора решает задачу возбуждения любого типа поляризации и является необходимым условием существования круговой поляризации.

Введение волноводного трансформатора на прямоугольное зауженное сечение позволяет использовать в качестве способа возбуждения антенного элемента SIW-структуру, представляющую собой волновод, выполненный внутри многослойной печатной платы, стенки которого образованы металлизированными отверстиями, что особенно актуально в миллиметровом диапазоне волн для осуществления перехода между радиотрактом и излучающей структурой, где применение классических способов СВЧ возбуждения малоэффективно, а порой невозможно.

Реализация поляризатора в виде диэлектрической пластины с заданной топологией позволяет минимизировать частотную неравномерность амплитудно-фазовых соотношений ортогональных компонент поля излучения с целью обеспечения более постоянного значения коэффициента эллиптичности в заданной полосе частот.

Выполнение диэлектрической пластины несимметричной формы решает задачу одновременного достижения высокого коэффициента эллиптичности и низкого коэффициента отражения антенного элемента.

Пространственная ориентация поляризатора относительно вектора напряженности электрического поля на оси волновода под углом в пределах 45±5° служит для точного регулирования фазового сдвига ортогональных компонент поля излучения с целью достижения максимального коэффициента эллиптичности при сохранении остальных электрических характеристик антенного элемента.

Наличие металлического стержня в виде гребенчатой структуры, образованной кольцами заданных диаметров и толщин, обеспечивает возможность регулирования ширины диаграммы направленности (ДН) антенного элемента путем изменения эффективной длины указанного стержня, являющегося альтернативной реализацией замедляющей структуры в антеннах бегущей волны, где нередко применяется диэлектрический стержень с целью обужения ДН, в особенности до X-диапазона частот. Таким образом, правильно выбранная ДН антенного элемента позволяет строить на его основе АФАР с шагом, значительно превышающим длину волны, при этом отсутствующими высокими побочными максимумами за счет их подавления при перемножении ДН множителя решетки и ДН антенного элемента, заданной ширины, определенным угловым положением первого нуля и уровнем бокового лепестка. Важнейшим преимуществом в миллиметровом диапазоне волн металлической замедляющей структуры перед диэлектрической является существенно меньшее значение потерь на диссипацию СВЧ энергии, а также значительно более высокая точность производства, связанная как с выполнением заданной геометрии, так и отсутствием погрешности из-за отклонения относительной диэлектрической проницаемости используемого материала.

Расположение металлического стержня так, что он входит внутрь полости рупора, и вблизи апертуры рупора диаметр колец увеличивается, обеспечивает эффективное преобразование энергии СВЧ колебаний, распространяющихся в волноводе и рупоре, в энергию поверхностной волны, распространяющейся вдоль металлического стержня.

Формирование на конце металлического стержня переходного участка в свободное пространство путем уменьшения диаметра колец обеспечивает наилучшее согласование антенного элемента ввиду плавного увеличения фазовой скорости распространяющейся вдоль стержня поверхностной волны до скорости света.

Использование диэлектрической вставки с центральным сквозным отверстием, расположенной в апертуре рупора, задает дополнительную степень свободы для регулирования уровня передачи энергии СВЧ колебаний от полости рупора к металлическому стержню с целью эффективного возбуждения поверхностной волны и минимизации уровня боковых лепестков ДН антенного элемента. Кроме того, диэлектрическая вставка является конструктивным элементом крепления металлического стержня в заданном положении.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен общий вид антенного элемента, на фиг. 2 показан продольный разрез антенного элемента, фиг. 3 - показано изменение коэффициента эллиптичности, фиг. 4 - представлена диаграмма направленности.

Осуществление изобретения

Антенный элемент круговой поляризации представляет собой волноводно-стержневую антенну бегущей волны, где в качестве замедляющей структуры использован гребенчатый металлический стержень 1. Открытый конец круглого волновода 2 переходит в конический рупор 3, а вход соединен с многоступенчатым волноводным трансформатором 4 на прямоугольное зауженное сечение. Выполнение волноводного трансформатора 4 на прямоугольное зауженное сечение позволяет использовать в качестве способа возбуждения антенного элемента SIW-структуру, представляющую собой волновод, выполненный внутри многослойной печатной платы, стенки которого образованы металлизированными отверстиями, что особенно актуально в миллиметровом диапазоне волн для осуществления перехода между радиотрактом и излучающей структурой, где применение классических способов СВЧ возбуждения малоэффективно, а порой невозможно.

В полости круглого волновода 2 установлена диэлектрическая пластина поляризатора 5 с заданной топологией, при этом диэлектрическая пластина выполнена несимметричной формы относительно оси круглого волновода 2, а поляризатор 5 ориентирован относительно вектора напряженности электрического поля на оси круглого волновода 2 под углом 45±5°. Поляризатор 5, выполненный в виде диэлектрической пластины с заданной топологией, позволяет минимизировать частотную неравномерность амплитудно-фазовых соотношений ортогональных компонент поля излучения с целью обеспечения более постоянного значения коэффициента эллиптичности в заданной полосе частот.

В полости конического рупора 3, при помощи диэлектрической вставки 6 с центральным сквозным отверстием, закреплен металлический стержень 1, который входит внутрь конического рупора 3, а длинная выступающая над ним часть в виде гребенчатой структуры, образованной кольцами 7, расположенными вдоль стержня 1, заданных диаметров и толщин значением не более 0,15 длины волны верхней границы рабочего диапазона. Вблизи апертуры конического рупора 3 диаметр колец 7 увеличивается, а на конце металлического стержня 1 уменьшается.

Работа устройства

Через зауженное сечение волноводного трансформатора 4 подается СВЧ сигнал, который, попадая в круглый волновод 2, формирует колебания основного типа H₁₁, где распространяющаяся волна линейной поляризации падает на поляризатор 5. Так как поляризатор 5 расположен относительно вектора напряженности электрического поля на оси круглого волновода 2 под углом 45±5°, то скалярная компонента падающей волны, параллельная пластине поляризатора 5 после его прохождения задерживается по фазе, отставая от перпендикулярной компоненты на 90°. Каждая из компонент, имея почти равные амплитуды на выходе поляризатора 5, в суперпозиции образуют волну круговой поляризации, распространяющуюся вдоль конического рупора 3 и металлического стержня 1, установленного в диэлектрической вставке 6. Диэлектрическая вставка 6 и основание металлического стержня 1 обеспечивают эффективное преобразование энергии СВЧ колебаний в полости конического рупора 3 в энергию поверхностной волны, распространяющейся вдоль гребенчатого металлического стержня 1, тем самым формируя режим бегущей волны, излучение которой направлено вдоль его оси. Задавая эффективную длину металлического стержня 1 и закон распределения амплитуды поверхностной волны, регулируется ДН антенного элемента.

Плавное выравнивание фазовой скорости поверхностной волны до скорости света на краю металлического стержня 1, а также правильно выбранная форма поляризатора 5 в совокупности с волноводной структурой, обеспечивают согласование антенного элемента круговой поляризации со свободным пространством не хуже -17 дБ, а заданная топология диэлектрической пластины поляризатора 5 с оптимальной геометрией возбуждающей части обеспечивают значение коэффициента эллиптичности не менее 0,95. При этом антенный элемент позволяет применять сверхширокополосные сигналы в радиосистемах миллиметрового диапазона волн.

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для построения активных фазированных антенных решеток (АФАР) круговой поляризации. Технический результат - повышение коэффициента эллиптичности до значения не менее 0,95 антенного излучателя. Технический результат достигается за счет конструкции антенного элемента круговой поляризации, содержащего круглый волновод, открытый конец которого переходит в конический рупор, а вход соединен с волноводным трансформатором на прямоугольное зауженное сечение. В круглый волновод установлена диэлектрическая пластина поляризатора, выполненная несимметричной формы относительно оси волновода. Поляризатор ориентирован относительно вектора напряженности электрического поля на оси волновода под углом в пределах 45±5°. В раскрыве рупора расположена диэлектрическая вставка с центральным сквозным отверстием, в которой закреплен металлический стержень, входящий внутрь полости рупора, а выступающая над диэлектрической вставкой часть металлического стержня выполнена в виде гребенчатой структуры, образованной кольцами, расположенными вдоль него. Вблизи апертуры рупора диаметр колец увеличивается, а на конце металлического стержня уменьшается до его поперечного размера. 4 ил.

Антенный элемент круговой поляризации, содержащий волновод, конический рупор и выполненные в виде единой конструкции металлический стержень с кольцами, отличающийся тем, что открытый конец круглого волновода переходит в конический рупор, а вход соединён с волноводным трансформатором на прямоугольное зауженное сечение, внутри круглого волновода установлена диэлектрическая пластина поляризатора с заданной топологией, при этом диэлектрическая пластина выполнена несимметричной формы относительно оси круглого волновода, причём поляризатор ориентирован относительно вектора напряжённости электрического поля на оси круглого волновода под углом в пределах 45±5°, в раскрыве рупора расположена диэлектрическая вставка с центральным сквозным отверстием, в которой закреплён металлический стержень, входящий внутрь полости конического рупора, а выступающая над диэлектрической вставкой часть металлического стержня выполнена в виде гребенчатой структуры, образованной кольцами, расположенными вдоль него, заданных толщин значением не более 0,15 длины волны верхней границы рабочего диапазона, при этом вблизи апертуры рупора диаметр колец увеличивается, а на конце металлического стержня уменьшается до его поперечного размера.