Рупорное антенное устройство

 

Использование: в радиотехнике в качестве облучателя зеркальных антенн для уменьшения кроссполяризационной составляющей в широком диапазоне частот. Сущность изобретения: устройство содержит полый металлический волновод круглого сечения, диэлектрический излучатель, выполненный в виде полого диэлектрического волновода и диэлектрического рупора. 9 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве облучателя зеркальных антенн.

Известны рупорные антенны, выполненные из прямоугольных волноводов со ступенчатыми переходами к цилиндрическим. Ступенчатые переходы обеспечивают возбуждение многомодового режима с целью реализации симметричной диаграммы направленности. Однако рабочая полоса частот при этом оказывается узкой из-за различных частотных характеристик отдельных типов волн (5-10%).

Известна рупорная антенна, содержащая первую секцию полого волновода круглого сечения и вторую секцию полого волновода в виде усеченного конуса с заданным раскрывом для уменьшения разности фаз между различными типами волн, распространяющихся в третьей секции. Третья секция электрическим связана с второй. Четвертая секция выполнена в виде полого волновода в виде усеченного конуса с другим заданным значением угла раскрыва. Устройство также содержит адаптер для ввода-вывода электромагнитной энергии. При возбуждении электромагнитной энергии первой секции электромагнитная волна распространяется в виде волны ТЕ типа. Диаметр первой секции ограничивает возникновение и распространение других типов волн. При прохождении ступеньки во вторую секцию преобразуется часть энергии волны ТЕ в ТМ. Волны ТЕ и ТМ, проходя через третью секцию, излучаются в пространство. Разность углов секций обеспечивает требуемый сдвиг фаз в раскрыве четвертой секции. Фазовый сдвиг рассчитывается по соотношению, учитывающему размеры секций устройства и углов раскрыва, что обеспечивает синфазное сложение возбуждаемых типов волн на раскрыве рупора.

Также известен многодиапазонный рупорный облучатель, предназначенный для работы на пяти частотах при двух линейных поляризациях. Имеется коаксиальная часть, волноводная и конусная части. Развязка сигналов нижних частот обеспечивается применением пространственно-ортогональных зондов, подключаемых к коаксиальным секциям с различными наружными диаметрами. В результате скачкообразного изменения диаметра в секции образуется замкнутая цепь для частоты 6,6 ГГц. В коаксиальную секцию встроен узкополосный фильтр, обеспечивающий развязку с частотой 10,7 ГГц. Развязку между сигналами более высоких частот обеспечивают за счет применения полосовых и режекторных фильтров. Имеется стержневой диэлектрический излучатель, размещенный в полости ребристого волновода по центру, обеспечивающий коротковолновую часть диапазона. Рупор работает в нижней полосе частот. Для исключения влияния сигнала в волноводе и диэлектрическом стержне подбирается размер ребристого волновода.

В облучателе реализуется несколько типов волн в круглом и конечном сечениях. Стержень используется для симметрирования диаграммы направленности в двух плоскостях, так как поле концентрируется возле стержня и ослабляется вдоль стенок рупора, но при этом снижается КПД рупора из-за потерь в диэлектрике. Недостатком известных устройств является большой уровень кроссполяризационной составляющей поля.

Целью изобретения является уменьшение кроссполяризационной составляющей излучения в широком диапазоне частот и получение заданной (оптимальной) диаграммы направленности в Е и Н плоскостях.

Это достигается тем, что рупорное антенное устройство содержит секцию из полого металлического волновода круглого сечения к концу которого присоединен полый металлический волновод в виде конического рупора и диэлектрического излучателя, который выполнен в виде полого диэлектрического волновода круглого сечения, расположенного внутри полого металлического волновода и конического рупора, и диэлектрического рупора, угол которого равен углу раскрыва конического рупора. Причем диэлектрический рупор расположен внутри конического рупора и соединен с внешней поверхностью полого диэлектрического волновода круглого сечения в плоскости горловины конического рупора. Диаметр полого диэлектрического волновода меньше раскрыва диэлектрического рупора в 1,8-2,2 раза, а длина выступающей части полого диэлектрического волновода круглого сечения относительно раскрыва диэлектрического рупора выбрана равной половине длины волны рабочего диапазона.

Такое выполнение устройства обеспечивает создание и суммирование двух типов волн ТЕ и ТМ так, чтобы уменьшить кроссполяризационные составляющие излучения и получить оптимальную диаграмму направленности, за счет образования волн с различными фазовыми скоростями распространения и возможности их суммирования.

На фиг.1 изображено рупорное антенное устройство; на фиг.2 распределение волн типа ТЕ в волноводе; на фиг.3 распределение волн типа ТМ в волноводе; на фиг.4 распределение суммы волн ТЕ и ТМ в раскрыве рупора; на фиг.5 ортогональные составляющие волн ТЕ и ТМ.

Предлагаемое рупорное устройство содержит секцию 1 полого металлического волновода круглого сечения и вторую секцию волновода в виде усеченного конуса рупора 2. Рупор 2 электрически связан с секцией 1. В месте перехода секции волновода в рупор внутри расположен согласованный полый диэлектрический волновод круглого сечения 3. Также имеется диэлектрический рупор 4, угол раскрыва которого равен углу раскрыва конического рупора 2. Диэлектрический рупор 4 расположен на внутренней стенке конического рупора 2 и скреплен со стенкой полого диэлектрического волновода 3.

Выбор размеров металлического волновода 1 определяется из условия распространения в нем электромагнитной энергии, что возможно, если его минимальный радиус a определяется из соотношения a 0,293λ где λ для волны.

Угол раскрыва диэлектрического рупора определяется углом раскрыва металлического конического рупора, определяемого условием получения необходимой ширины диаграммы направленности в Е и Н плоскостях 2Θ 60 2Θʹ 70 где λ длина волны; Θ ширина диаграммы направленности в Н плоскости; Θ' ширина диаграммы направленности в Е плоскости; D диаметр раскрыва рупора.

Установлено экспериментально, что диаметр полого диэлектрического волновода 3 должен быть в 1,8-2,2 раза меньше диаметра раскрыва диэлектрического рупора 4 для реализации заданного процесса. Выступ полого диэлектрического волновода круглого сечения 3 относительно плоскости раскрыва диэлектрического рупора 4 равен по длине 1/2 длины средней волны диапазона.

Выбором толщины стенок диэлектрического волновода круглого сечения (например 3 мм) и диэлектрической постоянной материала (например ε 2,5 полистирол) регулируют уровень кроссполяризационных составляющих и ширину диаграммы направленности.

При возбуждении основной волны типа ТЕ она распространяется по металлическому волноводу 1. Конический рупорный волновод 2 является согласующим устройством между свободным пространством и полым металлическим волноводом 1, благодаря которому волна плавно переходит в пространство. Одновременно при падении основной волны ТЕ на диэлектрический полый волновод 3 (при круговой симметрии системы) возбуждается волна, имеющая такую же азимутальную зависимость, как и основная волна, т.е. типа ТМ. Величина фазовой скорости распространяется U_ф для разных типов волн, определяется исходя из соотношения через критическую длину волны для них U_ф= где С скорость света, для волны ТЕ₁₁ λ_кр ≠ 3,413, для волны ТМ₁₁ λ_кр 1,64.

Вследствие образования волн с разными фазовыми скоростями образуется суперпозиция полей этих волн в рупоре. Векторы волн типа ТЕ и ТМ направлены противоположно в плоскости раскрыва диэлектрического волновода. При разности их фаз равной целому числу 2 π реализуется взаимная компенсация ортогональных составляющих Е этих волн. В случае, если разность фаз Δϕ=2π n, то компенсация не происходит.

Выбор соотношения раскрывов полого диэлектрического волновода и диэлектрического рупора обусловлен данными эксперимента, в которых (см.фиг. 6,7,8,9) аргументируется оптимальность этой величины.

Подбор размеров диэлектрического полого волновода, а также диэлектрического рупора осуществлялся экспериментально. Конический металлический рупор, с помощью которого производились измерения кроссполяризационных составляющих диаграмм направленности и коэффициента усиления, имел следующие параметры: диаметр раскрыва 40 мм, угол раскрыва 21, общая длина рупора 140 мм. Были изготовлены 5 вариантов диэлектрического полого волновода, имеющего различные габариты. Диаметр раскрыва диэлектрического рупора был больше диаметра полого диэлектрического волновода в 1,5; 1.8; 2.0; 2,2; 2,5 раза. Материал диэлектрического полого волновода полистирол с ε 2,5, толщина стенок диэлектрического волновода 2 мм.

Были проведены измерения электрических характеристик рупорной конической антенны без диэлектрического полого волновода и диэлектрического рупора. Результаты измерения совпали с расчетными данными. Ширина диаграммы направленности по уровню 3 дБ в плоскости Е составила 46-47^о в Н плоскости 39-40^о, коэффициент усиления 11 дБ, уровень кроссполяризации 16-18 дБ. После этого был установлен полый диэлектрический волновод и диэлектрический рупор и были измерены эти же электрические характеристики такой антенны. На фиг.6 представлены результаты измерения уровня кроссполяризационной составляющей, где кривая 1 рупор без диэлектрического волновода и диэлектрического рупора; кривая 2 конический рупор с диэлектрическими волноводом и рупором при соотношении их диаметров 1,5; кривая 3 1,8; кривая 4 2,0; кривая 5 2,2, кривая 6 2,5.

Как видно из представленных данных, оптимальное соотношение диаметров раскрывов диэлектрического рупора и полого диэлектрического волновода составило величину 1,8-2,2, при этом величина выступающей части полого диэлектрического волновода из плоскости раскрыва диэлектрического рупора составила величину λ_ср/2.

После измерения величины кроссполяризационной составляющей, были измерены диаграммы направленности. Оценка ширины диаграммы направленности по уровню 2-3 дБ и по уровню 10 дБ. На фиг.7 представлены диаграммы направленности конического металлического рупора без диэлектрических волновода и рупора. Как видно из представленных результатов, ширина диаграммы в Е и Н плоскостях отличается по уровню -3 дБ на 6-7^о. После этих измерений в горловину рупора был установлен диэлектрический полый волновод и диэлектрический рупор с габаритами, определенными как оптимальные при измерениях кроссполяризационной составляющей. На фиг.8 представлены результаты измерения ширины диаграммы направленности в двух плоскостях Е и Н. Как видно из полученных результатов диаграммы направленности в двух плоскостях имеют симметрию до уровня порядка 18-20 дБ. При измерении диаметров диэлектрического рупора и диэлектрического полого волновода можно получить различные ширины диаграмм направленности в плоскостях Е и Н. Таким образом можно оптимизировать ширину диаграммы направленности конической рупорной антенны.

При внесении диэлектрического полого волновода в горловину конической рупорной антенны возникают потери сигнала. При измерении величины коэффициента усиления рупорной конической антенны были определены величины этих потерь. На фиг. 9 представлены результаты измерения коэффициента усиления, где кривая 1 рупор без диэлектрического полого волновода, кривая 2 с ним. Как видно из полученных результатов, величина потерь из-за диэлектрического волновода составляет величину 0,3-0,5 дБ. Однако за счет оптимизации ширины диаграммы направленности в двух плоскостях при использовании такой антенны в качестве облучателя зеркальной антенны можно получить выигрыш в коэффициенте усиления зеркальной антенны.

Все измерения проводились в полосе частот, определяемой как 15% Измерения кроссполяризационной составляющей проводились в "косом" сечении передающего рупора. Результаты представлены на фиг.6.

Формула изобретения

РУПОРНОЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО, состоящее из полого металлического волновода круглого сечения, к одному концу которого присоединен полый металлический волновод в виде конического рупора и диэлектрического излучателя, отличающееся тем, что, с целью уменьшения кросс-поляризационной составляющей излучения в широком диапазоне частот и оптимизации ширины диаграммы направленности, диэлектрический излучатель выполнен в виде полого диэлектрического волновода круглого сечения, расположенного внутри полого металлического волновода и конического рупора, и диэлектрического рупора, расположенного внутри конического рупора, диэлектрический рупор, угол раскрыва которого выбран равным углу раскрыва конического рупора, соединен с внешней поверхностью полого диэлектрического волновода круглого сечения в плоскости горловины конического рупора, при этом диаметр полого диэлектрического волновода круглого сечения выбран меньше диаметра раскрыва диэлектрического рупора в 1,8 - 2,2 раза, а длина выступающей части полого диэлектрического волновода круглого сечения относительно раскрыва диэлектрического рупора выбрана равной половине средней длины волны рабочего диапазона волн.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9