МОНОИМПУЛЬСНАЯ КОЛЬЦЕВАЯ РЕЗОНАНСНАЯ АНТЕННА Российский патент 2021 года по МПК H01Q25/02 

Изобретение относится к области антенной техники, в частности к антеннам круговой поляризации, и может быть использовано в качестве приемной/передающей антенны с круговой поляризацией в УКВ диапазоне наземного и бортового базирования; в качестве облучателя зеркальной параболической антенны.

Известен патент [1], в котором описан четырехэлементный моноимпульсный облучатель. Моноимпульсный облучатель содержит четырехсекционный рупор, соединенный с волноводным трактом, выполненным в виде четырех суммарно-разностных мостов на двойных волноводных тройниках, сферическую слоистую диэлектрическую линзу Люнеберга, которая установлена перед раскрывом четырехсекционного рупора так, что ее фокус размещен в точке пересечения плоскости раскрыва четырехсекционного рупора с его продольной осью. В режиме излучения антенны для образования суммарной диаграммы направленности (ДН) все четыре секции рупора возбуждаются синфазно, а для образования разностных ДН при приеме пары секций возбуждаются в противофазе. При этом суммарная ДН формируется путем прохождения лучей через центральную часть раскрыва сферической слоистой диэлектрической линзы Люнеберга, а разностные ДН формируются полным ее раскрывом.

Недостатком моноимпульсного облучателя [1] является конструктивная сложность устройства и низкая технологичность изготовления устройства.

Известна кольцевая резонансная малогабаритная антенна круговой поляризации [2] наиболее близкая по своей технической сущности к патентуемому изобретению, которая выбрана в качестве прототипа.

Антенна содержит плоский металлический экран, на котором размещены элементы антенны и квадратурный мост, на выходе которого формируют два сигнала со сдвигом фаз в 90°. На плоском металлическом экране установлены металлический цилиндр и кольцевая металлическая накладка, расположенные соосно, при этом металлический цилиндр устанавливают на плоском металлическом экране, электрически соединяя по периметру его основание с плоским металлическим экраном. Кольцевую металлическую накладку устанавливают на плоском металлическом экране на четырех диэлектрических стойках. Прорезанные в торце металлического цилиндра возбуждающие щели, которые соосно соединены с прорезанными в боковой поверхности металлического цилиндра симметрирующими окнами, расположены таким образом, чтобы угол между радиусами, соединяющими ось металлического цилиндра с осями щелей входов, был равен 90°, сигналы на возбуждающие щели подают с квадратурного моста с помощью коаксиальных кабелей. По периметру кольца укладывается длина волны колебания с учетом поправки на отличие фазовой скорости кольцевого тока от скорости света. При этом формируется осесимметричная ДН с максимумом в направлении оси симметрии.

К недостатку известного изобретения [2] можно отнести невозможность работы антенны в моноимпульсном режиме.

Патентуемое изобретение - моноимпульсная кольцевая резонансная антенна решает задачу создания простой в изготовлении и механически прочной моноимпульсной кольцевой резонансной антенны, обладающей малой электрической высотой над металлическим экраном и высоким уровнем согласованием путем размещения на общем экране двух кольцевых антенн, расположенных соосно, обеспечивающих суммарную и разностную ДН с совмещенным фазовым центром, расположенным на оси симметрии антенны.

Технический результат, который достигается патентуемым изобретением: создание конструктивно простой моноимпульсной антенны, состоящей из двух кольцевых резонансных антенн и одного пассивного кольца, расположенных соосно. Осесимметричные суммарная и разностная ДН имеют общий фазовый центр, расположенный на оси симметрии антенны. Моноимпульсная антенна обладает минимальной электрической высотой (0.13λ), согласована с 50-омной линией передачи (КСВ≤2.0 в полосе 3%) и имеет высокий коэффициент эллиптичности (0.80 или минус 2 дБ в секторе углов ± 60° и 0.4 или минус 3.2 дБ в пределах ширины ДН по уровню 0.3) и высокий уровень согласования (КСВ≤2.0 в полосе 3%). Пассивное кольцо сводит к минимуму заднее паразитное излучение.

Сущность патентуемого изобретения поясняется описанием и рисунками, на которых представлены:

Фиг. 1 Конструкция кольцевой резонансной антенны.

Фиг. 2 Общий вид моноимпульсной кольцевой резонансной антенны;

Фиг. 3 Взаимное расположение входов кольцевых резонансных антенн;

Фиг. 4 Кольцевая резонансная антенна, формирующая суммарную ДН (размеры элементов);

Фиг. 5 Кольцевая резонансная антенна, формирующая разностную ДН (размеры элементов);

Фиг. 6 Суммарная и разностная ДН моноимпульсной кольцевой резонансной антенны;

Фиг. 7 Зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) от частоты на входах возбуждения кольцевых резонансов кольцевых резонансных антенн, формирующих суммарную и разностную ДН;

Фиг. 8 Коэффициент эллиптичности кольцевой резонансной антенны, формирующей суммарную ДН;

На фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 введены следующие обозначения: 1 - металлический цилиндр, 2 - кольцевые металлические накладки, 3 -плоский металлический экран, 4 - диэлектрические стойки, 5 - коаксиальные кабели, 6 - возбуждающие щели, 7 - симметрирующие окна, 8 - квадратурные мосты, 9 - кольцевая резонансная антенна, формирующая суммарную ДН, 10 - кольцевая резонансная антенна, формирующая разностную ДН, 11 - пассивное кольцо; А, В - входы кольцевой резонансной антенны, формирующие суммарную ДН; С, D - входы кольцевой резонансной антенны, формирующие разностную ДН, 12 - суммарная ДН, построенная в единицах коэффициента направленного действия (КНД), кольцевой антенны при возбуждении входов А и В сигналами равных амплитуд со сдвигом по фазе на 90°, 13 - разностная ДН, построенная в единицах КНД, кольцевой антенны при возбуждении входов С и D сигналами равных амплитуд со сдвигом по фазе на 90°, 14 - зависимость КСВ от частоты на входе А кольцевой антенны, 15 - зависимость КСВ от частоты на входе В кольцевой антенны, 16 - зависимость КСВ от частоты на входе С кольцевой антенны, 17 - зависимость КСВ от частоты на входе D кольцевой антенны, D₁₁ - внешний диаметр металлического цилиндра антенны, формирующей суммарную ДН, D₁₂ - внешний диаметр металлического цилиндра антенны, формирующей разностную ДН, D₂₁ - внутренний диаметр металлического цилиндра антенны, формирующей суммарную ДН, D₂₂ - внутренний диаметр металлического цилиндра антенны, формирующей разностную ДН, d₁₁ - внутренний диаметр кольцевой металлической накладки антенны, формирующей суммарную ДН, d₁₂ - внешний диаметр кольцевой металлической накладки антенны, формирующей суммарную ДН, d₂₁ - внутренний диаметр кольцевой металлической накладки антенны, формирующей разностную ДН, d₂₂ - внешний диаметр кольцевой металлической накладки антенны, формирующей разностную ДН, w - ширина возбуждающих щелей 6, h - глубина возбуждающих щелей 6, t₁ -толщина кольцевой металлической накладки антенны, формирующей суммарную ДН, t₂ - толщина кольцевой металлической накладки антенны, формирующей разностную ДН, H₁ - высота металлических цилиндров антенн, формирующих суммарную и разностную ДН, Н₂ - высота диэлектрических стоек, g₁ - ширина окон антенны, формирующей суммарную ДН, g₂ - ширина окон антенны, формирующей разностную ДН, b₁ - высота окон антенны, разностную ДН, b₁ - высота окон антенны, формирующей суммарную ДН, b₂ - высота окон антенны, формирующей разностную ДН, d₃ - диаметр диэлектрических стоек, D₃₁ - внешний диаметр пассивного кольца, D₃₂=(D₃₁-2) мм - внутренний диаметр пассивного кольца, Н₃ - высота пассивного кольца.

Патентуемое изобретение - моноимпульсная кольцевая резонансная антенна содержит общий плоский экран 3 (фиг. 1), на котором размещены соосно две кольцевые резонансные антенны 9, 10, конструктивно идентичные антенне-прототипу (фиг. 2), формирующие суммарную и разностную ДН и пассивное кольцо 11 (фиг. 2), внешний диаметр которого определяет диаметр экрана.

Суммарная ДН формируется внутренней кольцевой антенной 9, на периметре кольца которой укладывается одна длина волны, которая настраивается на низший резонанс бегущей волны и формирует суммарную диаграмму направленности моноимпульсной антенны. Разностная ДН формируется внешней кольцевой антенной 10 удвоенного диаметра, на периметре которой укладывается две длины волны, которая настраивается на двойной резонанс бегущей волны, поэтому вдоль оси симметрии формируется ноль ДН.

Каждая кольцевая антенна оснащена плоскими кольцевыми накладками 2, установленными на плоском металлическом экране 3 на четырех диэлектрических стойках 4, применяемыми для настройки на соответствующие резонансы бегущей волны антенн, формирующих суммарную и разностную диаграмму направленности. Запирающее пассивное кольцо 11 (фиг. 2) и металлические цилиндры 1 (фиг. 1) своими основаниями электрически соединены с плоским металлическим экраном 3 (фиг. 1). Высота металлических цилиндров обеих кольцевых резонансных антенн одинакова, все возбуждающие щели 6 (фиг. 1) по ширине w и глубине h (фиг. 5) одинаковы, все коаксиальные кабели 5 одинаковы по длине, все диэлектрические стойки 4 одинаковы, квадратурные мосты 8 одинаковы и располагаются друг под другом (см. фиг. 1). Одинаковые симметрирующие окна 7 (фиг. 1) антенны, формирующей суммарную ДН отличаются по ширине (g₁ и g₂) и высоте (b₁ и b₂) от одинаковых возбуждающих окон антенны, формирующей разностную ДН (фиг. 4, фиг. 5). Входы кольцевых резонансов размещаются таким образом, чтобы угол между радиусами, соединяющими ось металлического цилиндра 1 с осями входа В и входа D был равен 90°, входа А и входа С - 225° (фиг. 3). Диаметры металлических цилиндров 1 (фиг. 1) кольцевых антенн, формирующих суммарную и разностную ДН, имеют индивидуальные размеры, полученные в результате настройки путем математического моделирования и эксперимента по настройке на соответствующий резонанс бегущей волны. Кольцевые металлические накладки 2 (фиг. 1) также имеют индивидуальные размеры (диаметры и толщину) также полученные в результате математического моделирования и экспериментального подбора данных размеров.

Подбором параметров кольцевых резонансных антенн, формирующих суммарную и разностную ДН получают диаграммы направленности требуемой формы (суммарная и разностная) при настройке кольцевых антенн на соответствующий тип резонанса на общей частоте и высоком уровне согласования в двух точках возбуждения каждой из кольцевых антенн, фиг. 6. При высоком уровне согласования получают настройку кольцевых антенн на соответствующий тип резонанса на общей частоте. В режиме резонанса бегущей волны кольцевых антенн получают круговую поляризацию и требуемую форму ДН. В процессе математического моделирования контролируют коэффициенты передачи между входами А, В, С, D кольцевых антенн, формирующих суммарную и разностную ДН. Максимальная величина этих коэффициентов передачи (иначе говоря, развязка) не превысила минус 28 дБ в заданной полосе 3%.

Математическое моделирование, проведенное для рабочего диапазона частот 2285±35 МГц (3%), показало, что оптимальные результаты достигают при следующих параметрах кольцевых резонансных антенн: H₁=0,107λ, D₁₁=0,267λ, D₁₂=0,611λ, D₂₁=(D₁₁-2) мм=0,252λ, D₂₂=(D₂₁-2) мм=0,595λ, d₁₁=0,16λ, d₁₂=0,374λ, d₂₁=0,534λ, d₂₂=0,763λ, t₁=1,3 мм, t₂=1,0 мм, H₂=0,114λ, w=2 мм, h=3 мм, g₁=0,069λ, g₂=0,08λ, b₁=0,011λ, b₂=0,034λ, d₃=2 мм, D₃₁=1, 145λ, D₃₂=1,13λ, H₃=0,114λ.

Диаграммы направленности осесимметричны, антенны, формирующие суммарную и разностную ДН, согласованы с 50-омным кабелем. Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков, патентуемое изобретение обеспечило требуемый технический результат - создание простой в изготовлении и механически прочной моноимпульсной кольцевой резонансной антенны, обладающей минимальной электрической высотой (0.13λ), коэффициентом эллиптичности более 0.8 в пределах ± 60° (фиг. 8) и высоким уровнем согласования (КСВ≤2.0 в полосе 3%), фиг. 7.

Литература

1. Патент РФ №2188484. Горшков И.А., Рогов Н.В. Моноимпульсный облучатель, 27.02.2002.

2. Патент РФ №2720048. Белькович И.В., Бондарев В.Е., Селезнев В.Н., Турлов З.Н. Кольцевая резонансная малогабаритная антенна круговой поляризации, 23.04.2020 Бюл. №12.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемной/передающей антенны с круговой поляризацией в УКВ-диапазоне наземного и бортового базирования; в качестве облучателя зеркальной параболической антенны. Техническим результатом является создание конструктивно простой моноимпульсной антенны, состоящей из двух кольцевых резонансных антенн и одного пассивного кольца, расположенных соосно. Технический результат достигается тем, что антенна состоит из двух соосно расположенных на металлическом экране резонансных кольцевых антенн с кольцевыми накладками, обеспечивающих формирование суммарной и разностной диаграмм направленности соответственно, при этом фазовый центр антенн, формирующих суммарную и разностную диаграммы направленности, находится в одной точке на оси симметрии облучателя, при этом соосно с указанными антеннами на экране расположено пассивное кольцо, обеспечивающее низкий уровень заднего излучения, также на экране размещены два квадратурных моста, расположенных друг под другом, на выходах которых формируют сигналы со сдвигом фаз в 90°. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Моноимпульсная кольцевая резонансная антенна круговой поляризации, включающая плоский металлический экран, на котором размещены пассивное кольцо с внешним диаметром D₃₁ и высотой Н₃, две кольцевые резонансные антенны с плоскими кольцевыми накладками, формирующие осесимметричные диаграммы направленности, и два квадратурных моста, расположенных друг под другом, на выходах которых формируют сигналы со сдвигом фаз в 90°, при этом плоский металлический экран электрически соединен с основаниями обеих кольцевых резонансных антенн и пассивного кольца, причем внутренняя кольцевая антенна настроена на низший резонанс бегущей волны, когда по периметру кольца укладывается одна длина волны, и формируется суммарная диаграмма направленности моноимпульсной антенны, а внешняя кольцевая антенна настроена на двойной резонанс бегущей волны, когда по периметру кольца укладывается две длины волны, и формируется разностная диаграмма направленности моноимпульсной антенны, при этом внешняя и внутренняя кольцевые антенны расположены соосно и имеют единый фазовый центр.

2. Моноимпульсная кольцевая резонансная антенна круговой поляризации по п. 1, отличающаяся тем, что: H₁ - высоту металлических цилиндров антенн, формирующих суммарную и разностную ДН, D₁₁ - внешний диаметр металлического цилиндра антенны, формирующей суммарную ДН, D₁₂ - внешний диаметр металлического цилиндра антенны, формирующей разностную ДН, D₂₁ - внутренний диаметр металлического цилиндра антенны, формирующей суммарную ДН, D₂₂ - внутренний диаметр металлического цилиндра антенны, формирующей разностную ДН, d₁₁ - внутренний диаметр кольцевой металлической накладки антенны, формирующей суммарную ДН, d₁₂ - внешний диаметр кольцевой металлической накладки антенны, формирующей суммарную ДН, d₂₁ - внутренний диаметр кольцевой металлической накладки антенны, формирующей разностную ДН, d₂₂ - внешний диаметр кольцевой металлической накладки антенны, формирующей разностную ДН, t₁ - толщину кольцевой металлической накладки антенны, формирующей суммарную ДН, t₂ - толщину кольцевой металлической накладки антенны, формирующей разностную ДН, Н₂ - высоту диэлектрических стоек, w - ширину щелей, h - глубину щелей, g₁ - ширину окон антенны, формирующей суммарную ДН, g₂ - ширину окон антенны, формирующей разностную ДН, b₁ - высоту окон антенны, формирующей суммарную ДН, b₂ - высоту окон антенны, формирующей разностную ДН, d₃ - диаметр диэлектрических стоек, внешний диаметр пассивного кольца D₃₁, внутренний диаметр пассивного кольца D₃₂=(D₃₁-2) мм, высоту пассивного кольца Н₃ выбирают из условий: H₁=0,107λ, D₁₁=0,267λ, D₁₂=0,611λ, D₂₁=(D₁₁-2) мм=0,252λ, D₂₂=(D₂₁-2) мм=0,595λ, d₁₁=0,16λ, d₁₂=0,374λ, d₂₁=0,534λ, d₂₂=0,763λ, t₁=1,3 мм, t₂=1,0 мм, H₂=0,114λ, w=2 мм, h=3 мм, g₁=0,069λ, g₂=0,08λ, b₁=0,01λ, b₂=0,034λ, d₃=2 мм, D₃₁=1,145λ, D₃₂=1,13λ, H₃=0,114λ.