ДВУХДИАПАЗОННЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ С ЛИНЕЙНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ ПОЛЯ Российский патент 2023 года по МПК H01Q13/02 

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в качестве облучателя зеркальных и линзовых антенн в антеннах станций спутниковой связи диапазонов С, Ku, Ka, а также антенн радиорелейных станций.

В описании использованы следующие термины и определения.

Коэффициент перекрытия диапазона частот (Кп) – отношение наибольшей частоты диапазона рабочих частот к наименьшей частоте этого же диапазона.

Коэффициент разнесения диапазонов (Кр) – отношение нижней частоты высокочастотного диапазона рабочих частот к нижней частоте низкочастотного диапазона частот.

Известна из патента (RU2620877) конструкция гребенчатой биортогональной рупорной антенны, являющаяся наиболее близкой к заявляемому устройству по назначению и свойствам. Рупорная антенна, содержащая рупор с решетчатыми боковыми стенками, узел возбуждения в виде Н-волновода и два экспоненциальных выступа, выполненных с увеличивающейся к раскрыву рупора шириной S до размера S=10t, введены два дополнительных экспоненциальных выступа, заменяющие решетчатые стенки, все выступы имеют экспоненциальную форму.

В описании изобретения показаны графики частотной зависимости ширины диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости по уровням -6 дБ, -10 дБ для подтверждения повышения идентичности ширины диаграммы направленности во всем диапазоне рабочих частот как на вертикальной, так и на горизонтальной поляризации. Из приведенных графиков видно, что идентичность ширины диаграммы направленности для диапазонов частот, разнесенных с коэффициентом разнесения по частоте в 1,7, не обеспечивается. Про развязку между каналами, про первые боковые лепестки диаграммы направленности информация отсутствует. При этом известно, что для такого типа излучателя – диполя Вивальди – первые боковые лепестки диаграммы направленности составляют не менее – 14 дБ от максимума диаграммы направленности.

Наиболее близким аналогом в отношении конструкции заявляемого изобретения является облучатель с двойной поляризацией СВЧ-антенны, известный из патента CN103078177. Устройство содержит: гофрированный рупор, при этом один конец гофрированного рупора последовательно соединен с первой секцией круглого волновода переходным узлом, вторую секцию круглого волновода, соосно соединенную с первой секцией, и пластину короткого замыкания. На оси второй секции круглого волновода установлен тонкий металлический короткозамыкающий стержень, а во второй половине секции круглого волновода расположен вращающий поляризацию тонкий металлический стержень в положении, при котором с короткозамыкающим тонким металлическим стержнем на центральной оси второй секции круглого волновода образуется угол 45 градусов. Первый поляризационный порт и второй поляризационный порт расположены под второй секцией круглого волновода параллельно. Вторая секция круглого волновода имеет в стенке два соединительных прямоугольных сквозных отверстия, соединенные соответственно с первым прямоугольным волноводом – портом первой поляризации – и со вторым прямоугольным волноводом – портом второй поляризации.

В результате технического решения, представленного в патенте, обеспечивается высокий коэффициент использования поверхности облучаемой антенны, коэффициент стоячей волны – не хуже 1,1, и кроссрполяризационная развязка между питающими волноводными входами – не хуже 38 дБ, а ширина рабочей полосы достигает 20%.

Однако предложенное техническое решение не обеспечивает двухдиапазонного режима работы облучателя, так как коэффициент перекрытия по частоте рабочего диапазона частот составляет 1,2. Данные по первым боковым лепесткам диаграммы направленности не приводятся.

Технической проблемой изобретения является создание двухдиапазонного облучателя с линейной поляризацией поля, обладающего осесимметричной диаграммой в плоскостях Е и Н без первых боковых лепестков с высокой степенью подобия по уровню -10 дБ в плоскостях Е и Н нижнего и верхнего диапазонов и высокой развязкой между сигналами двух диапазонов.

Техническим результатом является решение заявленной технической проблемы.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что двухдиапазонный облучатель содержит излучающий элемент, состоящий из двух круглых диафрагм, чередующихся с двумя короткими отрезками круглого многомодового волновода, и последовательно и соосно присоединенный к одной стороне секции круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона, которая выполнена с отверстием в боковой поверхности, посредством которого через резонансную диафрагму ортогонально продольной оси круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона подключен прямоугольный одномодовый волновод низкочастотного диапазона, с другой стороны секция круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона посредством ступенчатого перехода соединена с секцией круглого одномодового волновода высокочастотного диапазона, закороченного с другой стороны, секция круглого одномодового волновода высокочастотного диапазона выполнена с отверстием в боковой поверхности, посредством которого через резонансную диафрагму ортогонально продольной оси круглого одномодового волновода высокочастотного диапазона подключен прямоугольный одномодовый волновод высокочастотного диапазона, расположенный в плоскости перпендикулярной относительно плоскости прямоугольного одномодового волновода низкочастотного диапазона, при этом в каждой секции круглого волновода установлено по два индуктивных штыря.

Заявляемое изобретение имеет следующие аспекты выполнения.

Двухдиапазонный облучатель выполнен с рабочими диапазонами частот, разнесенными с коэффициентом разнесения не более 1,7.

Секция круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона обеспечивает коэффициент перекрытия по частоте до 1,25.

Секция круглого одномодового волновода высокочастотного диапазона обеспечивает коэффициент перекрытия по частоте до 1,25.

Такая конструкция двухдиапазонного облучателя с линейной поляризацией поля позволяет получить диаграммы направленности в обоих диапазонах без первых боковых лепестков и с высокой степенью подобия по уровню -10 дБ в плоскостях Е и Н нижнего и верхнего диапазонов с максимальным отличием по ширине диаграммы от средней величины ширины по двум диапазонам не более 17%. При этом развязка между входами прямоугольных волноводов нижнего и верхнего диапазонов составляет не менее 43дБ, и коэффициент стоячей волны на входах прямоугольных волноводов не превышает значения 1,5 в низкочастотном и в высокочастотном диапазонах частот.

Диапазоны частот С, Ku и Ka, отведенные для спутниковой связи, закреплены руководящими документами, а именно С – 3,4…4,2 ГГц (диапазон частот на прием) и 5,625…6,725 ГГц (диапазон частот на передачу); Ku – 10,7…12,75 ГГц (диапазон частот на прием) и 13,75…14,5 ГГц (диапазон частот на передачу); Kа – 17,7…22,00 ГГц (диапазон частот на прием) и 27,0…31,0 ГГц (диапазон частот на передачу).Если взять максимально необходимые коэффициент разнесения диапазона частот и коэффициент перекрытия диапазонов частот для указанных частотных участков, то при обеспечении у облучателя величин Кр=1,7 и Кп=1,25 такой облучатель применим в указанных диапазонах частот С, Ku и Ka.

Изобретение поясняется фигурой 1, на которой изображено:

Фиг. 1 – продольный разрез в двух плоскостях двухдиапазонного облучателя с линейной поляризацией поля.

На фиг. 1 позициями 1-16 обозначены:

1, 3 – круглая диафрагма;

2, 4 – короткий отрезок круглого многомодового волновода;

5 – секция круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона;

6 – первая резонансная диафрагма;

7, 8 – индуктивный штырь секции круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона;

9 – прямоугольный одномодовый волновод низкочастотного диапазона;

10 – ступенчатый переход;

11 – секция круглого одномодового волновода высокочастотного диапазона;

12 – вторая резонансная диафрагма;

13, 14 – индуктивный штырь секции круглого одномодового волновода высокочастотного диапазона;

15 – прямоугольный одномодовый волновод высокочастотного диапазона;

16 – замыкатель.

Двухдиапазонный облучатель с рабочими диапазонами частот, разнесенными с коэффициентом разнесения не более 1,7, представляет собой совокупность из излучающего элемента, состоящего из двух круглых диафрагм 1, 3, чередующихся с двумя короткими отрезками 2, 4 круглого многомодового волновода последовательно и соосно присоединенного к одной стороне секции круглого одномодового волновода 5 низкочастотного диапазона с коэффициентом перекрытия по частоте не более 1,25, в отверстие боковой поверхности которого через первую резонансную диафрагму 6 ортогонально продольной оси секции круглого одномодового волновода 5 низкочастотного диапазона подключен прямоугольный одномодовый волновод 9 низкочастотного диапазона, а с другой стороны секция круглого одномодового волновода 5 низкочастотного диапазона посредством ступенчатого перехода10 соединена с секцией круглого одномодового волновода 11 высокочастотного диапазона с коэффициентом перекрытия по частоте не более 1,25, закороченного с другой стороны. В отверстие боковой поверхности секции круглого одномодового волновода 11 высокочастотного диапазона через вторую резонансную диафрагму 12 ортогонально продольной оси секции круглого одномодового волновода 11 высокочастотного диапазона подключен прямоугольный одномодовый волновод 15 высокочастотного диапазона, расположенный в плоскости перпендикулярной относительно плоскости прямоугольного одномодового волновода 9 низкочастотного диапазона, и в каждой секции круглого волновода 5, 11 установлено по два индуктивных штыря 7, 8 и 13, 14.

Конструктивно двухдиапазонный облучатель с линейной поляризацией состоит из излучателя, преобразующего волну H₁₁ круглого волновода в излучаемую волну ЕН₁₁, содержащего две круглые диафрагмы 1 и 3, чередующиеся с двумя короткими отрезками круглого многомодового волновода 2 и 4. Излучатель соединен соосно с первой низкочастотной секцией круглого одномодового волновода 5, к которой через отверстие в ее боковой поверхности в виде резонансной диафрагмы 6, обеспечивающей совместно с двумя индуктивными штырями 7 и 8 требуемое согласование, подключен прямоугольный одномодовый низкочастотный волновод 9. Второй стороной секция круглого одномодового волновода 5 низкочастотного диапазона путем ступенчатого перехода 10 соединена с секцией круглого одномодового 11 высокочастотного волновода, к которой через отверстие в ее боковой поверхности в виде резонансной диафрагмы 12, обеспечивающей совместно с двумя индуктивными штырями 13 и 14 требуемое согласование, подключен прямоугольный одномодовый высокочастотный волновод 15. Второй конец секции круглого одномодового высокочастотного волновода 11 закорочен замыкателем 16. Низкочастотный прямоугольный волновод 9 и высокочастотный прямоугольный волновод 15 находятся в ортогональных плоскостях.

Устройство работает следующим образом.

Линейно поляризованная принимаемая волна низкочастотного диапазона возбуждает в излучателе 1,2,3,4 рабочую волну ЕН₁₁, которая на входе в секцию круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона 5 преобразуется в волну типа Н₁₁. Из секции круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона 5 через первую резонансную диафрагму 6 волна Н₁₁ возбуждает в прямоугольном одномодовом волноводе низкочастотного диапазона 9 рабочую волну Н₁₀, которая далее поступает на вход приемного устройства. Индуктивные штыри 7 и 8 обеспечивают хорошее согласование круглого волновода с прямоугольным.

Рабочая волна Н₁₀ высокочастотного диапазона из прямоугольного одномодового волновода 15 высокочастотного диапазона через вторую резонансную диафрагму 12 возбуждает в секции круглого одномодового волновода 11 высокочастотного диапазона рабочую волну Н₁₁. Штыри 13 и 14 обеспечивают хорошее согласование прямоугольного волновода с круглым. Высокочастотная волна Н₁₁, распространяясь через излучатель 1, 2, 3, 4, преобразуется в рабочую волну ЕН₁₁ и излучается в свободное пространство в виде линейно поляризованной волны.

Геометрические размеры всех элементов двухдиапазонного облучателя с линейной поляризацией поля в результате оптимизации, проведенной с помощью программы CST STUDIO, подобраны таким образом, что при этих значениях у диаграмм направленности в обоих диапазонах отсутствуют первые боковые лепестки и диаграммы обладают высокой степенью подобия по уровню -10 дБ в плоскостях Е и Н нижнего и верхнего диапазонов с максимальным отличием по ширине диаграммы от средней величины ширины по двум диапазонам не более 17%. При этом развязка между входами прямоугольных волноводов низкочастотного и высокочастотного диапазонов составляет не менее 43 дБ, и коэффициент стоячей волны на входах прямоугольных волноводов не превышает значения 1,5 в низкочастотном и в высокочастотном диапазонах частот.

Для примера на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг.7, фиг.8, фиг.9 приведены результаты расчета диаграмм направленности – зависимости коэффициента направленного действия облучателя K, обозначенного в дБи, от направления облучателя, выраженного в градусах Θ, в Е и в Н плоскостях двухдиапазонного облучателя на граничных частотах диапазонов передачи и приема облучателя с линейной поляризацией поля для Ku диапазона частот. На фиг. 10 и фиг. 11 приведены результаты расчета зависимости коэффициента стоячей волны – КСВ от частоты F, выраженной в ГГц, соответственно по входу прямоугольного волновода низкочастотного диапазона и высокочастотного диапазона. На фиг. 12 приведены результаты расчета зависимости коэффициента передачи между входами прямоугольных волноводов низкочастотного и высокочастотного диапазонов S12, обозначенного в дБ, от частоты F, выраженной в ГГц.

На фиг. 2 приведены результаты расчета диаграммы направленности двухдиапазонного облучателя с линейной поляризацией поля в Е плоскости на частоте 10,7 ГГц.

На фиг. 3 приведены результаты расчета диаграммы направленности двухдиапазонного облучателя с линейной поляризацией поля в Н плоскости на частоте 10,7 ГГц.

На фиг. 4 приведены результаты расчета диаграммы направленности двухдиапазонного облучателя с линейной поляризацией поля в Е плоскости на частоте 12,75 ГГц.

На фиг. 5 приведены результаты расчета диаграммы направленности двухдиапазонного облучателя с линейной поляризацией поля в Н плоскости на частоте 12,75 ГГц.

На фиг. 6 приведены результаты расчета диаграммы направленности двухдиапазонного облучателя с линейной поляризацией поля в Е плоскости на частоте 13,75 ГГц.

На фиг. 7 приведены результаты расчета диаграммы направленности двухдиапазонного облучателя с линейной поляризацией поля в Н плоскости на частоте 13,75 ГГц.

На фиг. 8 приведены результаты расчета диаграммы направленности двухдиапазонного облучателя с линейной поляризацией поля в Е плоскости на частоте 14,5 ГГц.

На фиг. 9 приведены результаты расчета диаграммы направленности двухдиапазонного облучателя с линейной поляризацией поля в Н плоскости на частоте 14,5 ГГц.

На фиг. 10 приведены результаты расчета КСВ по входу прямоугольного волновода низкочастотного диапазона.

На фиг. 11 приведены результаты расчета КСВ по входу прямоугольного волновода высокочастотного диапазона.

На фиг. 12 приведены результаты расчета зависимости коэффициента передачи между входами прямоугольных волноводов низкочастотного и высокочастотного диапазонов от частоты.

Заявляемое устройство может быть изготовлено из металла или металлического сплава, обладающего высокой поверхностной проводимостью.

Устройство может быть применено для построения облучающих систем зеркальных и линзовых антенн станций спутниковой связи диапазонов частот С, Ku и Ka, а также антенных систем радиорелейной связи.

Использование: изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в качестве облучателя зеркальных и линзовых антенн в антеннах станций спутниковой связи диапазонов С, Ku, Ka, а также антенн радиорелейных станций. Сущность: двухдиапазонный облучатель содержит излучающий элемент, состоящий из двух диафрагм, чередующихся с двумя короткими отрезками круглого многомодового волновода, и последовательно и соосно присоединенный к одной стороне секции круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона, которая выполнена с отверстием в боковой поверхности, посредством которого через резонансную диафрагму ортогонально продольной оси круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона подключен прямоугольный одномодовый волновод низкочастотного диапазона. С другой стороны, секция круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона посредством ступенчатого перехода соединена с секцией круглого одномодового волновода высокочастотного диапазона, закороченного с другой стороны. Секция круглого одномодового волновода высокочастотного диапазона выполнена с отверстием в боковой поверхности, посредством которого через резонансную диафрагму ортогонально продольной оси круглого одномодового волновода высокочастотного диапазона подключен прямоугольный одномодовый волновод высокочастотного диапазона, расположенный в плоскости, перпендикулярной относительно плоскости прямоугольного одномодового волновода низкочастотного диапазона. При этом в каждой секции круглого волновода установлено по два индуктивных штыря. Технический результат: создание двухдиапазонного облучателя с линейной поляризацией поля, обладающего осесимметричной диаграммой в плоскостях Е и Н без боковых лепестков и высокой развязкой между сигналами двух диапазонов. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Двухдиапазонный облучатель, характеризующийся тем, что содержит излучающий элемент, состоящий из двух диафрагм, чередующихся с двумя короткими отрезками круглого многомодового волновода, и последовательно и соосно присоединенный к одной стороне секции круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона, которая выполнена с отверстием в боковой поверхности, посредством которого через резонансную диафрагму ортогонально продольной оси круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона подключен прямоугольный одномодовый волновод низкочастотного диапазона, с другой стороны секция круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона посредством ступенчатого перехода соединена с секцией круглого одномодового волновода высокочастотного диапазона, закороченного с другой стороны, секция круглого одномодового волновода высокочастотного диапазона выполнена с отверстием в боковой поверхности, посредством которого через резонансную диафрагму ортогонально продольной оси круглого одномодового волновода высокочастотного диапазона подключен прямоугольный одномодовый волновод высокочастотного диапазона, расположенный в плоскости, перпендикулярной относительно плоскости прямоугольного одномодового волновода низкочастотного диапазона, при этом в каждой секции круглого волновода установлено по два индуктивных штыря.

2. Двухдиапазонный облучатель, отличающийся тем, что выполнен с рабочими диапазонами частот, разнесенными с коэффициентом разнесения не более 1,7.

3. Двухдиапазонный облучатель, отличающийся тем, что секция круглого одномодового волновода низкочастотного диапазона выполнена с коэффициентом перекрытия по частоте не более 1,25.

4. Двухдиапазонный облучатель, отличающийся тем, что секция круглого одномодового волновода высокочастотного диапазона выполнена с коэффициентом перекрытия по частоте не более 1,25.