RU2484563C2 - Сверхширокополосная антенная решетка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве сверхширокополосной антенны с несколькими видами поляризации: вертикальной, горизонтальной и круговой (эллиптической) правого и левого вращения. Техническим результатом является разработка сверхширокополосной антенной решетки с любой формой диаграммы направленности (от «лопатообразной» до «игольчатой») и с любым видом поляризации и даже одновременно с несколькими видами поляризации: линейной - вертикальной и горизонтальной, круговой (эллиптической) - правого и левого вращения. Сверхширокополосная антенная решетка образована двумя электрически идентичными диэлектрическими основами с металлизированными слоями, в которых выполнен излучающий раскрыв, образованный из плоских рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях. Диэлектрические основы встроены друг в друга вдоль направления излучения таким образом, что образуется ортогональная конструкция. При этом возбуждение каждой диэлектрической основы осуществляется с фазовым сдвигом в 90° для получения эллиптической поляризации правого/левого вращения. 4 ил.

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве сверхширокополосной антенны с несколькими видами поляризации: вертикальной, горизонтальной и круговой (эллиптической) правого и левого вращения.

Известны турникетные антенны (X.Мейнке, Ф.Гудлах. Радиотехнический справочник. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960 г., стр.339-342) [1].

Наиболее часто турникетные антенны конструируются в виде наборов вибраторов, питаемых со сдвигом фаз в 90°. Такие конструкции позволяют получить приемлемые технические параметры в ограниченной полосе частот. При попытке создать антенную систему (АС) с полосой пропускания до декады и несколькими видами поляризации возникают значительные конструктивные и технические трудности с обеспечением требуемых электрических параметров. Эти проблемы наиболее хорошо просматриваются на примере антенны Линденбада (RCA-REV, April 1939, стр.387-408) [2]. Главная проблема - это сведение к минимуму влияния раскрывов (апертур) одного элемента на другой и исключения взаимного влияния системы возбуждения каждого из вибраторов (элементов) друг на друга.

Другими словами, конструкция должна быть с развязанными каналами возбуждения и с отсутствием влияния полей апертур друг на друга.

ТЕМ рупор представляет собой двухпроводную АС бегущей волны продольного излучения. В типичной конструкции ТЕМ рупора две параллельные пластины расширяются в одной из плоскостей (электрической - Е, магнитной - Н), чтобы обеспечить плавное преобразование импеданса передающей линии к импедансу свободного пространства. ТЕМ рупор представляет согласующее устройство (трансформатор) между питающей линией (линией возбуждения) с волновым сопротивлением Z_л и свободным пространством с волновым сопротивлением Z₀=120π Ом. Если открытые боковые стороны ТЕМ рупора каким-либо образом нагрузить продольными, проводящими ребрами, то он обеспечивает частотно-независимое функционирование в полосе частот до 30:1. Структура поля ТЕМ волны в направляющей системе не обладает дисперсией и по своим свойствам близка к структуре поля свободного пространства (Р.Кюн. Микроволновые антенны. - Л.: Судостроение, 1967 г., стр.209-210, 227-229 [3]; С.Щелкунов, Г.Фрис. Антенны. - М.: сов. Радио, 1955, стр.104-114, 120-124, 521-525 [4]; Дж.Слеттер, Передача ультракоротких волн. - ОГИЗ, 1946, стр.108-114, 204-221, 231-234 [5]). Главным недостатком ТЕМ рупора является его громоздкость, ограниченное число видов диаграмм направленности (далее ДН) - широкая в одной плоскости и узкая в другой - (лопатообразная) и ограниченное число видов поляризации - только линейная.

Известны технические решения, описанные в патентах РФ №2052877, 2052878 [6], 2407118 [7], где описаны сверхширокополосные антенные решетки (АР) в виде плоского свернутого (укороченного) рупора, так называемый «FH»-рупор (Fold Horn). Продольное укорочение FH-рупора достигается посредством формирования многоуровневого раскрыва, в котором точки электрического контакта «О», образующих рупора предыдущего уровня «N-1», находятся внутри апертуры рупора следующего «N» уровня и влияют только на формирование структуры поля (амплитудное распределение) апертуры только этого «N» уровня. Такие плоские структуры формируют приемлемые ДН с линейной поляризацией, широкие в одной плоскости и узкие в другой. Ширина ДН в плоскости апертуры (плоскости Е) может быть оценена как $$2{\Theta }_{0.5p}^E=A\times \lambda /\alpha$$

ортогональной плоскости - $$2{\Theta }_{0.5}^H=B\times \sqrt{\lambda ./\ell \mathrm{..}}$$

, где коэффициенты пропорциональности А=(50-65), В=(75-108) и зависят от линейного размера апертуры - «α» и пространственной протяженности - «ℓ».

Широкополосная антенная решетка по патенту РФ №2407118 [7] принята за прототип.

Необходимо отметить, что подобные структуры в электрической плоскости (плоскости Е) ведут себя подобно синфазным АР с параллельно включенными элементами, а в ортогональной плоскости (плоскости Н) - как АР с последовательно включенными элементами. Основным недостатком таких конструкций (структур) является ограниченное число видов ДН, широкая в одной плоскости и узкая в другой - «лопатообразная» и поляризация - только линейная.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является разработка сверхширокополосной АР с любой формой ДН (от «лопатообразной» до «игольчатой») и с любым видом поляризации и даже одновременно с несколькими видами поляризации: линейной - вертикальной и горизонтальной, круговой (эллиптической) - правого и левого вращения.

Это достигается тем, что сверхширокополосная антенная решетка, включающая диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнен излучающий раскрыв, образованный из плоских рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, отличается тем, что сверхширокополосная антенная решетка образована двумя электрически идентичными диэлектрическими основами, встроенными друг в друга вдоль направления излучения таким образом, что образуется ортогональная конструкция.

Возбуждение каждой диэлектрической основы осуществляется с фазовым сдвигом в 90°.

Представленные чертежи поясняют суть предлагаемого устройства.

На фиг.1 изображена антенная решетка с двухуровневой апертурой, исполненная как диэлектрическая основа с металлизированными слоями (плоская плата) с образующими в виде металлических прутков;

На фиг.2 представлена конструкция из двух ортогонально встроенных друг в друга диэлектрических основ (плоских плат), формирующих плоскую апертуру, перпендикулярную направлению излучения;

На фиг.3 представлено гибридное устройство возбуждения, посредством которого обеспечивается формирование требуемых видов поляризации;

На фиг.4 изображены расчетные ДН двухуровневой антенной решетки в плоскости азимута (горизонтальная плоскость), в плоскости угла места (вертикальная плоскость) и трехмерная (пространственная) ДН.

На фиг.1, 2, 3 обозначены:

1 - образующие плоских рупоров, исполненные в виде металлических проводников (прутков), которые обеспечивают контакт с токонесущей жилой системы возбуждения;

2 - образующие плоских рупоров, исполненные в виде металлических проводников (прутков), которые обеспечивают контакт с экранной стороной плоской платы;

3 - плоский рупор нулевого «N-1» уровня;

4 - плоский рупор первого «N» уровня;

5 - пазы типа «ласточкин хвост», выполненные на оси симметрии каждой плоской платы, в направлении оси излучения, обеспечивающие ортогональное встраивание плат друг в друга;

6 - регулируемая линия задержки, фазовращатель;

О - точка соединения (электрического контакта) образующих 1, 2 рупоров соответствующих уровней.

Конструкция каждой из плоских плат имеет самостоятельные (независимые) системы возбуждения, которые не оказывают друг на друга никакого влияния [6], [7]. Поскольку платы расположены ортогонально, то электромагнитное поле в апертуре каждой из них также не оказывает никакого влияния друг на друга. Значит, система на фиг.2 имеет две линейные поляризации, которые перпендикулярны друг другу и могут быть сориентированы в пространстве как вертикальная и горизонтальная. Для получения круговой поляризации правого или левого вращения система возбуждения каждой из плат должна иметь фазовый (временной) сдвиг друг относительно друга в 0,5π, что относительно просто может быть реализовано посредством регулируемой линии задержки (фазовращателя) 6.

Таким образом, предложенная конструкция решает все перечисленные выше проблемы, связанные с турникетными антеннами.

Возбуждение плат вертикальной и горизонтальной поляризации (диэлектрические основы с металлизированными слоями) посредством гибридного устройства (фиг.3 «а») позволяет одновременно реализовать два вида круговой поляризации правого и левого вращения, а посредством гибридного устройства (фиг.3 «б») получить одновременно четыре вида поляризации - вертикальную, горизонтальную и круговые правого и левого вращения.

Кроме того, из фиг.2 следует, что внешние (наружные) образующие 1, 2 каждой из ортогональных плоских плат выступают в качестве продольных проводящих ребер, которые расположены над открытыми боковыми сторонами направляющей системы (плоского рупора). Взаимодействие каждого из этих ребер с полем ортогональной платы характеризуется распределенной реактивной емкостью, которая обеспечивает поддержание постоянного входного импеданса системы в широкой полосе частот.

Поскольку плоские платы вертикальной и горизонтальной поляризации идентичны по электрическим параметрам и только повернуты относительно друг друга на 90°, то результирующая ДН предложенной конструкции есть произведение ДН каждой из плоских структур с учетом этого поворота. В силу отмеченных особенностей свойств плоских АР это приводит к «обострению» результирующей ДН, увеличению ее направленных свойств. Этим объясняется и симметрия ДН не только в сечении главных плоскостей (фиг.4, б, в), но и в диагональных плоскостях, что наглядно демонстрирует пространственная ДН на фиг.4, а.

Из изложенного становится очевидно, что цели, поставленные при разработке данного технического решения, полностью решены предлагаемой конструкцией антенной решетки.

Claims (1)

1. Сверхширокополосная антенная решетка, включающая диэлектрическую основу с металлизированными слоями и линейной поляризацией, в которых выполнен излучающий раскрыв, образованный из плоских рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, отличающаяся тем, что сверхширокополосная антенная решетка образована двумя идентичными диэлектрическими основами, встроенными друг в друга вдоль направления излучения таким образом, что образуется ортогональная конструкция, причем возбуждение каждой диэлектрической основы осуществляется с фазовым сдвигом в 90° для получения эллиптической поляризации правого/левого вращения.

Images