Широкополосная турникетная антенна Советский патент 1992 года по МПК H01Q21/26 

Изобретение относится к антенной технике, предназначено для приема или излучения электромагнитных волн с вращающейся поляризацией, и может быть использовано как самостоятельная антенна, так и в качествеизлучателя фазированных антенных решеток.

Известна турникетная антенна, содержащая прямолинейные симметричные вибраторы, расположенные над металлическим экраном параллельно последнему.

Известна турникетная антенна, состоящая из двух взаимно ортогональных V-образных вибраторов, запитываемых со сдвигом фаз 90°.

Для расширения рабочей полосы частот по согласованию в состав антенны дополнительно введены четыре несимметричных

пассивных вибратора, установленных на.рефлекторе.

Известна также турникетная антенна, в которой улучшение коэффициента эллипт тичности и расширение полосы частот по согласованию достигнуто тем, что металлические проводники, размещенные параллельно каждому плечу симметричного вибратора, замкнуты введенными дополнительными проводниками с соответствующими дополнительными вибраторами, расположенными ортогонально им.

Недостатком описанных турникетных антенн является сравнительно низкий коэффициент усиления (КУ) и высокий коэффициент стоячей волны (КСВ).

Наиболее близким по своей конструкции к предлагаемой является широкополосная турникетная антенна, состоящая из

прямолинейных вибраторов, расположенных в полом резонаторе,

Однако такая антенна имеет плохое согласование (максимумы КСВ не ниже 2,5, характеристика имеет большую неравномерность в полосе частот).

. Цель изобретения - улучшение согласования и повышение коэффициента усиления турникетной антенны в широкой полосе частот. :

. Указанная цель достигается тем, что в широкополосной турникетной антенне, содержащей две пары полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов, размещенных в одной плоскости ортогонально в полом резонаторе и подключенных к квадратурному мосту посредством симметрирующего устройства, полуволновые прямолинейные cиммeтpичныe вибраторы установлены над дном полого резонатора на высоте 0,198 Аи введены средний металлический экран диаметром (0,22-0,26) А, где-А - средняя длина волны рабочего диапазона, размещенный на расстоянии (0,039-0,045) А от плоскости расположения полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов, под ними, и гальванически связанный с дном полого резонатора, и верхний металлический экран диаметром (0,30,324) А , установленный на расстоянии (0,025-0,03) А от плоскости расположения полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов, над ними, при этом центральный проводник симметрирующего устройства соединен с противолежащим плечом соответствующего полуволнового прямолинейного симметричного вибратора посредством введенной металлической пластины шириной 0,006 А .

При этом средний металлический экран гал ьванически связан с дном полого резонатора посредством четырех металлических стоек, расположенных на окружности диаметром 0,144 А под соответствующими .плечами полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов.

На фиг. 1 изображена широкополосная турникетная антенна, общий вид; на фиг, 2 -то же, разрез; на фиг.3- место подключения симметрирующего устройства к вибраторам; на фиг. 4 и 5 - электрические характеристики широкополосной турникетной антенны в полосе частот: согласование, коэффициент усиления и коэффициент эллиптичности при оптимальных геометрических параметрах; на фиг. 6 - графики КУ турникетной антенны при трех значениях диаметра верхнего экрана; на фиг. 7 - зависимости КСВ от частоты при трех различных

расстояниях от плоскости расположения вибраторов до верхнего экрана; на фиг. 8 графики КУ широкополосной турникетной антенны при различном расположении стоексреднего экрана.

Широкополосная турникетная антенна (фиг. 2) содержит два полуволновых прямолинейных симмет-ричных вибратора 1, установленных в полом резонаторе 2,

верхний экран 3, средний экран 4 и четыре металлических стойки 5, систему запитки для каждого вибратора, состоящую из симметрирующего устройства 6 с соединительной пластиной 7, квадратурный мост 8,

обеспечивающий фазовый сдвиг 90° между вибраторами для получения поля круговой поляризации.

Верхний экран 3 установлен на диэлектрических кронштейнах 9, обеспечивающих

механическое крепление и гальваническую изоляцию экрана. Экран 4 имеет в центре отверстие такого диаметра, чтобы трубки симметрирующего устройства не имели гальванического контакта с этим экраном.

Запитываются вибраторы по схеме обычного симметрирующего шлейфа, но с использованием дополнительной металлической пластины 7, соединяющей центральный проводник 10 с противолежащим плечом

вибратора (фиг. 3).

В процессе экспериментальной отрабртки характеристики согласования турникетной антенны возможно улучшение согласования антенны при условии размещения вибраторов, установленных в резонаторе (или, над экраном), между двумя металлическими экранами на расстоянии меньшем, чем А /4, от дна резонатора, т.е. расстоянии отличном от обычногоА /4. Дальнейшее улучшение согласования достигается тем, что соединение центрального проводника симметрирующего устройства с противолежащим ему плечом вибратора осуществляется посредством тонкой металлической пластины, Ширина пластины подбирается эмпирически по величине значения КСВ антенны. Измерения электрических характеристик показали, что КУ такой антенны выше, чем у известных антенн.

Кроме того, КУ еще более повышается при определенном выборе местоположения металлических стоек среднего экрана.

На графиках фиг, 4 и 5 приведены наилучшие электрические характеристики турникетной антенн1з1, полученные при оптимальных геометрических параметрах; расстояние от плоскости расположения вибраторов 1 до дна полЪго резонатора 2 составляет 0,198 А ; диаметр экрана 3 равен

0,312 Я ; диаметр экрана 4 - 0,24 А ; экран

3установлен на расстоянии 0,0276 Я, а экран 4 - на расстоянии 0,042 Я от плоскости расположения вибраторов 1; соединительная пластина 7 имеет ширину 0,006 Я ; четыре стойки 5 экрана 4 расположены на диаметре 0,144 Я под соответствующими плечами ви.браторов. Значения KQB широкополосной турникетной антенны не превышают 1,5 в полосе частот 57%, а значение КУ не ниже 9,0 дБ (в максимуме 9,7 дБ).

Улучшение электрических характеристик предлагаемой антенны по сравнению с соответствующими характеристиками известных антенн объясняется следующим: сочетание новых элементов антенны при определенных геометрических параметрах позволяет скомпенсировать паразитное взаимовлияние между токами на поверхности полого резонатора и вибраторов, снижает характеристическое сопротивление антенны, приблизив его к чисто активному, что и приводит к улучшению согласования. Пов.ышение КУ происходит вследствие улучшения характеристик согласования антенны, а также за счет дополнительной фокусировки излучаемого поля экранами 3,

4и стойками 5.

Предлагаемая широкополосная турникетная антенна содержит полый резонатор размером 0,84 х 0,84 Я , образованный нижним экраном (дном резонатора) и бортиком. Аналогичные электрические характеристики получены при размещении турникетной антенны над плоским экраном размером 2 /Я . Следовательно, использование полого резонатора позволяет значительно уменьшить габариты широкополосной турникетной антенны, а также снизить величину взаимовлияния между элементами антенной решетки, излучателем в которой служит предлагаемая антенна.

Экспериментальные исследования широкополосной турникетной антенны показали, что изменение геометрических параметров антенны в некоторых пределах относительно-оптимальных приводит к незначительному ухудшению электрических характеристик: снижению КУ на величину не более 0,2-0,5 дБ, ухудшению КСВ до уровня 1,6-1,75. Так, на фиг. 6 приведены экспериментальные зависимости КУ, измеренные при следующих размерах экра1на 3: 0,3 Я (пунктир): 0,312 Я - оптимальный размер диаметра экрана (сплошная линия): 0,32 (штрихпунктир) при оптимальных.остальных параметрах.

При изменении диаметра экрана 4 от 0,22 до 0,26 Я снижение значений КУ не превышает 0,2 дБ.

На графиках фиг. 7 приведены зависимости КСВ широкополосной турникетноР антенны при следующих расстояниях от плоскости вибраторов до экрана 3: 0,025Я

(пунктир); 0,0276 Я (сплошная линия): О,ОС Я (штрихпунктир).

При изменении расстояния от плоскости вибраторов до экрана 4 в пределах.от 0,039 до 0,045 Я КСВ антенны не хуже 1,6,

При одновременном изменении геометрических параметров в описанных выш€ пределах снижение КУ не превышает 0,5 дБ КСВ не хуже 1,75.

На фиг. 8 приведены некоторые из экспериментальных зависимостей КУ, иллюстрирующих выбор оптимального местоположения металлических стоек сред-ч него экрана: сплошная линия - стойки расположены на диаметре 0,114 Я пo

вибраторами (оптимальный вариант): пунктир - стойки расположены на диаметре 0,114 Я под углом 45° к вибраторам: штрихпунктир-стойки расположены на диаметре 0,096 Я под углом 45° к вибраторам: точечный пунктир - стойки выполнены из диэлектрика. Остальные геометрические параметры при этом оставались оптимальными.

Отсутствие соединительной пластины 7

приводит к ухудшению согласования антенны до уровня КСВ 1,9-2,5 и, следовательно, к снижению КУ за счет отражения на 0,5-0,8 дБ относительно оптимального.

Изменение геометрических параметро в

в более широких, чем описано выше, пределах приводит к значительному у,худшению электрических характеристик широкополосной турникетной антенны.

Настройка опытной партии широкополосных турникетных антенн показала хорошую повторяемость электрических характеристик от образца к образцу.

Использование широкополосной турникетной антенны в радиолиниях позволяет

снизить паразитные потери сигнала на переотражения от входа антенны за счет лучшего согласования: более высокий КУ позволяет повысить мощность радиолинии на 2,3-2,8 дБ или снизить требования кмощности передающей аппаратуры (чувствительности приемника): при использовании антенны в качестве излучателя ФАР уменьшается общее количество элементов решетки за счет большей направленности

предлагаемой антенны.

Формула изобретения 1. Широкополосная турникетная антенна, содержащая две пары полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов.

размещенных в одной плоскости ортогонально в полом резонаторе и подключенных к квадратурному мосту посредством симметрирующего устройства, отличающаяся тем, что, с целью улучшения согласования и повышения коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот, полуволновые прямолинейные симметричные вибраторы установлены над дном полого резонатора на высоте 0,198Я с, введены средний металлический экран диаметром (0,22 + 0,26) Я с, где Я с - средняя длина волны рабочего диапазона, размещенный на расстоянии (0,039-0,045)Я с от плоскости расположения полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов, под ними,и гальванически связанный с дном полого резонатора, и верхний металлический экран диаметром

(0,3-0,324) Я с, установленный на расстоянии (0,025-0,03) Я С от плоскости расположения полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов, над ними, при

этом центральный проводник симметрирующего устройства соединен с противолежащим плечом соответствующего полуволнового прямолинейного симметричного вибратора посредством введенной металлической пластины шириной 0,006 Я с.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что средний металлический экран гальванически связан с дном полого резонатора посредством четырех металлических стоек,

расположенных на окружности диаметром 0,144 Я с под соответствующими плечами полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве элемента фазированной антенной решетки или самостоятельной антенны с круговой поляризацией излучения. Широкополосная турникетная антенна содержит две парыполуволновь1х прямолинейных симметричных-вибраторов 1, размещенных взаимно ортогонально в полом резонаторе 2, верхний металлический зкран 3, средний металлический экран 4, металлические стойки 5, симметрирующее устройство 6, металлическую пластину 7, квадратурный мост 8, диэлектрические кронштейны 9, центральный проводник симметрирующего устройства. Введение верхнего 3 и среднего металлического 4 экранов, а также выбор их размеров и взаимного положения позволяет скомпенсировать взаимное влияние токов на поверхностях вибраторов и резонатора и уменьшить характеристическое сопротивление антенны, приблизив его к Ч.ИСТО активному, что обеспечивает улучшение- согласования и повышение КУ в рабочем диапазоне частот. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.СО

Фиг.1.

сриг.2

Фиг.З.

КСВ

0.861 Г I.I7P, I.33Fi I.SFiI-e i

КУ.дЕ

ФЕТ,4.

гэ

кэ

0.8

.7

0.77F,

- R9 ЯЗ

0.7

I.ITF-i 1.33 I.5F

I.67F.

ФЕТ.5

50

I.ITP I.33F I.5Fi I.GTF

O.TTF

Фиг.6.

У

0.77F.

I.I7P I.33F I.SF 1.67 Фиг.7.

§

«

О ю о то ю

о СП CTJ со со IN

is

to

fe

. M

РГ

CO

CO

M

00

FH

О