Антенна с электрическим сканированием Советский патент 1993 года по МПК H01Q3/26 H01Q13/10 

Изобретение относится к антенной технике миллиметровых волн и может быть использовано при создании плоских сканирующих, приемопередающих антенн, позволяющих одновременно работать с горизонтальной и вертикальной поляризациями излучения.

Целью изобретения является устранение основного из отмеченных недостатков, а именно реализация электрического сканирования на волнах двух ортогональных поляризаций без увеличения площади апертуры антенны, то есть без ее удвоения.

Эта цель достигается тем, что в антенне с электрическим сканированием, содержащей тороидальный ферритовый элемент, на внешней поверхности которого вдоль продольной оси размещены N строк плоской решетки вертикальных электрических вибраторов, а во внутренней его области параллельно оси на всю длину размещены . управляющие проводники и N диэлектрических стержней прямоугольного сечения. плотно примыкающих широкими гранями к внутренней поверхности тороидального элемента. Тороидальный ферритовый элемент выполнен в виде N идентичных торои- дов. Внутри каждого тороида размещены

один из N первых диэлектрических стержней и управляющие проводники, Количество проводников внутри всех тороидов одинаково. Между тороидами на всю их длину вдоль продольной оси размещены N-1 вторых диэлектрических стержней прямоугольного сечения. Широкие боковые грани этих стержней перпендикулярны широким граням первых диэлектрических стержней и плотно примыкают к ферритовымдороидам. На узкие верхние грани вторых диэлектрических стержней вдоль оси тороидов установлены N-1 третьих диэлектрических стержней. Концы вторых диэлектрических стержней снабжены скосами, покрытыми слоем металлизации. На верхних гранях третьих стержней размещены N-1 строк плоской решетки горизонтальных электрических вибраторов. Над каждым вертикальным и горизонтальным вибратором размещен параллельный ему третий дирек- торный вибратор. Ферритовые тороиды и отверстия в них могут иметь прямоугольное или П-образное сечение. Если тороиды и отверстия имеют прямоугольное сечение, первые и вторые диэлектрические стержни идентичны, высота вторых стержней равна высоте тороидов, а третьи диэлектрические

00

ю ю о о

4

стержни плотно примыкают к верхним широким стенкам тороидов. Если ферритовые тороиды и отверстия в них имеют П-образ- ное сечение. Первые диэлектрические стержни размещены в части отверстий, а управляющие проводники размещены.в частях полостей, третьи диэлектрические стержни размещены между тороидами.

Предложенное техническое решение обладает существенными отличиями от уже известных. В частности, оригинальны конфигурация ферритодиэлектрической волноведущей структуры и взаимное расположение ее элементов. Ортогональность широких граней чередующихся первых и вторых диэлектрических стержней, плотно примыкающих к внутренним и внешним поверхностям ферритовых тороидов шириной около A /U, приводит к новым свойствам не- извесной ранее открытой многомодовой Волноведущей структуры, состоящей из двух вложенных одна в другую{также много- модовых).структур, содержащих плоские решетки первых и вторых диэлектрических стержней, одинаково периодичных с периодом около Я /2. Благодаря ортогональности соседних стержней взаимодействие рабо- чих.мод вложенных открытых волноведущих структур практически отсутствует, что делает возможным независимое возбуждение этих структур. Вместе с тем ферритовые тороиды с управляющими проводниками являются общими для обеих структур, что делает зависимым управление фазовыми постоянными их рабочих мод. Совокупность указанных новых свойств волноведущей ферритодиэлектрической структуры способствует достижению цели изобретения и определяет особенности .сканирования лучей антенны с ортогональными поляризациями. Кроме того, неизвестным ранее техническим решением является использование ферритовых тороидов шириной А/2 П-образного сечения, с оригинальным взаимным расположением, диэлектрических стержней и управляющих проводников внутри П-образной-полости, которое позволят независимо влиять на фазовые постоянные рабочих мод обеих волноведущих многомодовых структур и пределы управления .ими. Также новым элементом технического решения является система излучателей, содержащая ортогональные директорные пары электрических вибраторов. Комбинация активного вибратора, расположенного на поверхности ферритового тороида или диэлектрического стержня в поле возбуждающей рабочей моды, и пассивного вибратора, расположенного на некотором удалении от поверхности волноведущей структуры, то есть находящегося практически вне возбуждающего поля, образуют директорную излучающую пару над

ферритодиэлектрической волноведущей структурой, которая обладает в достаточной степени направленным по одну сторону от структуры излучением, что позволяет отказаться от металлического экрана, служащего для этой же цели. Ортогональность соседних активных и пассивных пар электрических вибраторов практически исключает их взаимосвязь через внешнее пространство, что в совокупности с отсутствием взаимосвязи рабочих мод позволяет решить новую техническую задачу-обеспечить независимое излучение или прием на одной рабочей частоте волн двух ортогональных поляризаций одной антенной, содержащей фактически две разные вложенные одна в другую сканирующие антенны.

На фиг.1 и 2 показан общий вид различных вариантов реализации предложенной

антенны.

Антенна содержит тороидальный фер- ритовый элемент 1 в виде N идентичных ферритовых тороидов. Внутри тороидов размещены управляющие проводники 2, состоящие из двух секций, и диэлектрические стержни 3 прямоугольного сечения. Между тороидами размещены вторые диэлектрические стержни 4 также прямоугольного сечения. Вдоль оси тороида на узкие грани

диэлектричерких стержней 4 установлены третьи диэлектрические стержни 5. На фер- ритовом тороиде 1 размещены поперечные„ электрические вибраторы 6, а на диэлектрическом стержне 5 - продольные вибраторы

7, Над вибраторами 6 и 7 размещены дирек- торные вибраторы 10. Ферритовый тороид 1 может иметь как прямоугольноё(фиг.1),так и П-об разное сечение (фиг,2). В случае П-образного тороида диэлектрические стержни 3

располагаются внутри тороида в горизонтальной части отверстия, а управляющие провода 2 - в вертикальных частях отверстия. Диэлектрический стержень 5 при этом размещается между соседними тороидами

1. к краям антенны подсоединяются дополнительные возбуждающие элементы: диэлектрические стержни 8 с диэлектрическим трансформатором 9 (фиг.2), установленные на нижнюю узкую грань диэлектрических

стержней 4,либо только диэлектрический трансформатор 9, установленный в том же месте. Элементы 8 и 9 возбуждают подре- шетку продольных вибраторов, для возбуждения подрешетки поперечных вибраторов

используются диэлектрические трансферматоры 11, установленные на торцы диэлектрических стержней 3. Таким образом, антенна имеет два независимых ортогональных входа, соответствующих каждой подрешетке.

Принцип действия антенны рассмотрим на примере устройства, изображенного на фиг. 1. Ко входам подрешеток (элементы 11, 9) подсоединяются возбуждающий рупор или прямоугольный волновод с отводами (не показаны). Согласование рупора или волновода осуществляется с помощью четвертьволновых диэлектрических трансформаторов 9 или 11. В феррит-диэлектрической структуре, образованной диэлектрическими стержнями 3, 4 . и прилегающими к ним участками тороида 1, возбуждаются две слабосвязанные электромагнитные волны. Распространяясь по этой структуре в продольном направлении, одна волна возбуждает вибраторы 6, другая волна - вибратору 7, которые излучают (принимают) электромагнитную энергию двух взаимно ортогональных поляризаций по закону диаграммы направленности антенны. Диэлектрические стержни 5 служат для реализации требуемого коэффициента связи вибраторов 7 с феррит-диэлектрическим волноводом. Однонаправленность излучения обеспечивается директорными вибраторами 8. Для исключения отражения электромагнитной энергии от конца антенны может быть установлена поглощающая нагрузка (не показана). Фазовое распределение и положение главного луча ДН в продольной плоскости устанавливается изменением тока в управляющих проводниках 2, секции которых расположены внутри ферритового тороида -1, под апертурой с излучателями 6 и 7. Фазовое распределение и положение луча в поперечной плоскости устанавливается изменением тока в секциях управляющих проводников 12, расположенных на крайних участках тороидов, которые выполняют роль трактовых вазовращате- лей.

В 8 мм-диапазоне волн может быть реализован сектор сканирования, равный + 40 град, в обеих плоскостях, уровень боковых лепестков 20 дБ, ширина диаграммы направленности 1-2 град. Антенна имеет малую толщину и является маловыступающей. Антенна может работать с памятью и высоким быстродействием, так как выполнена на основе тороидальных феррит-диэлектрических структур.

Формула изобретения 1. Антенна с электрическим сканированием, содержащая ферритовый элемент, на

внешней плоской поверхности которого параллельно продольной оси расположены N строк плоской решетки вертикальных вибраторов, под каждой строкой которой во

5 внутренней области ферритового элемента параллельно продольной оси на всю его длину выполнено отверстие, в котором расположены управляющие проводники и соответствующий первый диэлектрический

0 стержень прямоугольного сечения, плотно примыкающий широкими гранями к поверхности ферритового элемента, отличающаяся тем, что, с целью независимого сканирования на волнах двух ортогональ5 ных поляризаций при сохранении площади апертуры антенны, ферритовый элемент выполнен в виде N ферритовых элементов, ширина внешней поверхности каждого из которых выбрана равной А 12, при з- -м со0 ответствующий первый диэлектрический элемент.распрложен в отверстии соответствующего ферритового элемента, дополнительно ведены N-1 вторых диэлектрических стержней прямоугольного сечения, ши5 рокие боковые грани которых перпендикулярны широким граням первых диэлектрических стержней, расположенных соответственно между соседними феррито- выми элементами на всю их длину, и плотно

0 примыкающие к ним своими широкими боковыми гранями, на узких верхних гранях каждого из IM-1 вторых диэлектрических стержней расположены дополнительно введенные третьи диэлектрические стержни,

5 на верхних гранях которых расположены до- . полнительно введенные строки плоской решетки горизонтальных вибраторов, над каждым вертикальным и горизонтальным вибратором расположен параллельный ему

0 соответствующий дополнительный дирек- торный вибратор, при этом на концах вторых диэлектрических стержней выполнены скосы,которые металлизированы.

5 2. Антенна по п.1, от л и ч а ю щ а я с я тем, что ферритовые элементы и отверстия в них выполнены прямоугольного сечения, первые и вторые диэлектрические стержни идентичны, при этом высота вторых диэлек0 трических стержней выбрана равной высоте боковой грани ферритового .элемента, третьи диэлектрические стержни расположены на верхних широких гранях ферритовых элементах без зазоров.

5

3. Антенна по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что Фероитовые элементы и отверстия в них выполнены П-образного сечения, первые диэлектрические стержни расположены в горизонтальной части отверстия, а управляющие проводники в вертикальных частях расположены между ферритовыми элемен- отверстия, третьи диэлектрические стержни тами.

Использование: в антенной технике миллиметровых волн для создания плоских сканирующих приемопередающих антенн с горизонтальной и вертикальной поляризациями. Сущность изобретения: устройство содержит N ферритовых элементов, N первых диэлектрических стержней и управляющих проводников внутри ферритовых элементов, N-1 вторых диэлектрических стержней, N-1 третьих диэлектрических стержней. На ферритовых элементах расположены вертикальные вибраторы, а на третьих диэлектрических стержнях - горизонтальные вибраторы. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Р п

ю10

5 Л

W Д

J.

2

ПП6

.. :.if./

FT

cs

пп.

сГ

V

csa гтгд с - г- g-

1,

;

И

zv.;

3