Плоская антенная решетка Советский патент 1992 года по МПК H01Q13/10 

(/

С

Использование: для построения низкопрофильных направленных антенн сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн. Изобретение позволяет упростить конструкцию и повысить коэффициент усиления антенных решеток. Сущность изобретения: плоская антенная решетка содержит отрезки волноводов, на внешней стороне которых расположены излучающие элементы от плоской входной поверхности, образованной входами отрезков волноводов, на расстоянии, определенном соотношением у, -(YH2 + dN2 -VH2 rl-di2 + + m До), где п - коэффициент преломления в волноводах; , di - расстояние от оси симметрии до крайнего М-го или произвольного 1-го отрезков волноводов, образующих входную плоскую поверхность; До-длина волны в свободном пространстве; т - целое число; Н - расстояние от фазового центра облучателя до входной поверхности. 1 ил.

Изобретение относится к антеннам и может быть использовано для построения низкопрофильных антенн с игольчатым лучом в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн

Известны конструкции плоских антенных решеток, выполненных в виде микропо- л осковых излучателей, возбуждаемых делительным устройством, также выполненных из микрополосковых линий передачи.

Недостатком их является низкий КПД, особенно в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн. Высокий КПД может быть обеспечен применением зеркальных или линзовых антенн. Однако, указанные антенны обладают значительной высотой. Так, например, двухзеркальные антенны Кассегрена или типа АДЭ обычно имеют высоту не менее трети диаметра апертуры.

Для построения антенных решеток с малой высотой и высоким КПД в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн используют конструкции волноводно-щеле- вых антенны решеток, решеток в виде диэлектрических излучателей, возбуждаемых диэлектрическим волноводом. Такие линейные антенные решетки, расположен-, ные параллельно одна другой и соединенные при помощи распределительного устройства,представляют собой, плоскую антенную решетку малой высоты. При этом в качестве распределительного устройства могут быть использованы устройства, вы- полненныеиз отрезков линии передачи. Выравнивание фаз возбуждения отдельных излучающих элементов, в последнем случае, осуществляется использованием корректирующих зеркул или радиолинз.

Наиболее близкой к предлагаемой является плоская антенная решетка, которая соVIсо ю

4

стоит из отрезков прямолинейных волноводов, установленных в одной плоскости параллельно друг другу, на внешней стороне каждого из которых выполнены излучающие элементы, например щелевые облучателя, расположенного на расстоянии Н на оси симметрии от фазового центра облучателя до плоской входной поверхности открытых концов отрезков прямолинейных волноводов.

Для формирования плоской электромагнитной волны, падающей от облучателя на входную плоскую поверхность/используется параболический рефлектор. Для этой же цели можно использовать и радиолинзы. Однако наличие фазокорректирующих поверхностей в антеннах оптического типа как зеркальных, так и линзовых требует высокой точности изготовления таких поверхностей, особенно в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн. Кроме того, использование радиолинзы непременно ведет к увеличению тепловых потерь на отражение, а следовательно, к снижению коэффициента усиления антенны. Использование зеркальных антенн также ведет к снижению КУ за счет эффекта затенения и рассеяния электромагнитной волны от конструктивных элементов облучателя. Таким образом к основным недостаткам прототипа относятся сложность конструкции и потери КУ, свойственные антеннам оптического типа.

Целью изобретения является упрощение конструкции и увеличение коэффициента усиления плоской антенной решетки.

Поставленная цель достигается тем, что в плоской антенной решетке,, состоящей из отрезков волноводов, например, прямоугольных, расположенных в одной плоскости параллельно друг другу, на внешней стороне каждого из которых выполнены излучающие элементы облучателя, расположенного на расстоянии Н на оси симметрии от фазового центра облучателя до плоской входной поверхности открытых концов отрезков волноводов, излучающие элементы в каждом из отрезков волноводов расположены на расстоянии yi от плоской входной поверхности открытых концов волноводов, выбираемом из соотношения

yr(VH2+dN2-VH2-Mt2 + m Ao)/n, где n - коэффициент преломления в волноводах;

dN и di - соответственно расстояния ,от оси симметрии до крайнего (N-ro) и произвольного (1-го) отрезков волноводов, образующих входную поверхность;

0

5

0

5

0

m - целое число 0,1,2М;

АО - длина волны в свободном пространстве.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются: выполнение формы линии расположения излучателей; соотношение, определяющее эту форму.

На чертеже показаны расположение излучателей плоской антенной решетки и график амплитудного распределения в главной плоскости.

Плоская антенная решетка состоит из отрезков волноводов 1, излучателей в волноводах 2, облучателей 3.

Устройство работает следующим образом.

Облучатель 3 создает на плоской входной поверхности возбуждающее поле с амплитудным А(х) и фазовым (х) распределениями. Электромагнитная волна распространяется в волноводах 1. Излучающие элементы 2, нагружающие волноводы 1, формируют электромагнитное поле в свободном пространстве.

Амплитудное распределение А(х) зависит, в основном, от типа облучателя (например, косинусное для сплошного гладкого Н-секториального рупора). Фазовое распределение неравномерно ввиду разной длины путей ё центре и на периферии

5

0

5

0

5

0)

VM km VH 2 + di 2 , где k 2 jr/Ao ;

АО - длина волны;

m - коэффициент преломления для среды внутри рупора (для Н-секториального рупора с воздушным зап.олнением m 1);

Н - расстояние от фазового центра облучателя, расположенного на оси симметрии до плоской поверхности, образованной входами волноводов 1;

di - расстояние от оси симметрии до i-ro волновода. .

Такое же фазовое распределение имеют электромагнитные волны, распространяющиеся в прямолинейных волноводах с излучающими элементами. Первые, начиная от входа, излучающие элементы в них смещены в осевом направлении на величину (di). Указанные смещения выбраны такими, чтобы возбуждение первых излучающих элементов всех линейных решеток было синфазным. Для этого величины должны быть равны

yi -l(VH2+dN2-VH2+d,2 + m Ao),

где dN - расстояние от оси симметрии до крайнего прямолинейного волновода;

n - показатель преломления волноводов 1.

Поскольку в каждом волноводе шаг между излучающими элементами выбран равным длине волны в волноводе, все элементы плоской решетки возбуждаются син- фазно, что обеспечивает формирование игольчатого луча, ориентированного по нормали к плоским решеткам. При подаче сигнала на вход облучателя, смещенного от оси симметрии, аналогичным образом формируется луч, отклоненный от нормали в плоскости, перпендикулярной волноводам.

Облучатели 3 располагаются: центральный на оси симметрии на расстоянии Н от плоской входной поверхности; остальные в точках, соответствующих отклонению dH от нормали на требуемый угол. Размер Н должен соответствовать дальнейшей зоне для поля облучателя и должен быть наименее возможным, чтобы не увеличивались габаритные размеры антенной решетки.

Таким образом, выполнение антенны с использованием смещения излучающих элементов в линейных решетках выполняет функцию преобразователя цилиндрического фронта волны в плоский, т.е. функции радиолинзы. Она (радиолинза) образована с одной стороны (освещенная поверхность) системой входов волноводов, с другой стороны (теневая поверхность) первыми, начиная от входа, излучателями линейных решеток. При этом профиль теневой поверхности (линия размещения излучающих элементов) определяется соотношением (2), а профиль освещенной поверхности является плоским. В прототипе излучающие элементы в линейных решетках расположены на равных расстояниях от входов, а синфазное возбуждение входов осуществляется путем использования параболического зеркала, компенсирующего фазовые запаздывания волн в центральных участках и на периферии Выполнение решетки согласно изобретению позволяет при равных габаритных размерах, числе линейных решеток и элементов в них добиться упрощения конструкции и повышения коэффициента усиления.

Упрощение конструкции обеспечивается тем, что в ней отсутствует зеркало как отдельная деталь, требующая к тому же высокой точности изготовления заданной неплоской поверхности. Выполнение смещения облучателей реализовать проще путем использования методов печатной технологии.

Увеличение, коэффициента усиления обеспечивается тем. что при отсутствии зеркала отсутствует эффект затенения зеркала облучателем и рассеяние электромагнитной

волны на конструктивных элементах облучателя.

Антенна согласно предлагаемому изобретению может быть выполнена следующим образом.

Возбуждающий Н-секториальный рупор выполняется с углом раскрыва 20-45°. Линейные антенные решетки выполняются в виде металлических печатных нерегулярностей на диэлектрических зеркальных волноводах, изготовленных из материала ПФП, Ориентировочные размеры нерегулярно- стей До/4 - До/2, шаг решетки равен длине волны в волноводе.

Преимуществом предлагаемой антенны является более простая и технологичная конструкция, позволяющая при изготовлении избежать необходимости точного изготовления профилированных поверхностей,

что в конечном счете обеспечит снижение стоимости антенны без ухудшения электрических характеристик.

К числу дополнительных преимуществ заданной антенны относится возможность

дополнительного снижения уровня боковых лепестков (У Б Л). УБЛ в плоскости волноводов в ней оказывается несколько меньшим по сравнению с известной. Это объясняется тем, что центральная часть апертуры заполнена излучателями полностью, а начальные и конечные части - частично, что связано со смещением всех центральных излучателей в направлении осей линейных решеток. Поэтому амплитудное распределение эквивалентной линейной антенны будет более спадающим к краям по сравнению с известной

Формула изобретения Плоская антенная решетка, состоящая

из отрезков волноводов, расположенных в одной плоскости параллельно друг другу, на внешней стороне каждого из которых выполнены излучающие элементы, и облучателя, расположенного на расстоянии Н на оси

симметрии от фазового центра облучателя до плоской входной поверхности открытых концов отрезков волноводов, отличающаяся тем, что, с целью увеличения коэффициента усиления и упрощения конструкции, излучающие элементы в каждом из отрезков волноводов расположены на расстоянии yi от плоской входной поверхности открытых концов отрезков волноводов, при этом

55

yi - ( Ун 2 + dN 2 - VH 2 + di2 + m Л),

где n - коэффициент преломления в волноводах;

JN, di - расстояние от оси симметрии доАО - длина волны в свободном прокрайнегр N-ro или произвольного 1-го отрез-странстве; ков волноводов, образующих входную пло-m - целое число,

скую поверхность;

У

/

У

/