Широкополосная антенна

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антеннам СВЧ, и может быть использовано в качестве облучателя зеркальных и линзовых антенн и как самостоятельная антенна. Цель изобретения - уменьшение неравномерности ДН в Е-плоскости и снижение КСВ на входе антенны. Антенна содержит прямоугольный волновод, соединенный с плавным переходом от прямоугольного волновода к секторному. Выход перехода соединен с узким концом секторного коаксиального рупора, широкий конец которого является раскрывом антенны. На выходе плавного перехода от прямоугольного волновода к секторному расположена плосковыпуклая линза, плоской поверхностью обращенная к раскрыву секторного коаксиального рупора. Выпуклая поверхность линзы представляет собой свернутую вдоль цилиндрической поверхности гиперболу. За счет выбора профиля линзы происходит преобразование волны H₀₁ плавного перехода в волну H₀₁ секторного коаксиального рупора, что приводит к уменьшению неравномерности ДН антенны в Е-плоскости и снижению КСВ на входе антенны. 9 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антеннам СВЧ, и может быть использовано в качестве облучателя зеркальных и линзовых антенн и как самостоятельная антенна.

Известна рупорная антенна [1] содержащая широкоугольный рупор, возбуждаемый с помощью коаксиального кабеля. Эта антенна имеет широкую ДН в H-плоскости. Однако она не позволяет сформировать широкую ДН секторной формы в Е-плоскости.

Известна СВЧ-антенна [2] содержащая фидер и рупорную секцию. Эта антенна не позволяет сформировать ДН в Е-плоскости с шириной более 180^o и низкой неравномерностью в полосе частот с перекрытием более 2 и имеет высокий КСВ.

Известна широкополосная антенна [3] позволяющая сформировать широкую ДН в Н-плоскости.

Эта антенна, как наиболее близкая по технической сущности, принята за прототип.

Прототип содержит плавный переход от прямоугольного волновода к секторному, выход которого соединен с узким концом секторного коаксиального рупора, широкий конец которого имеет цилиндрическую форму и является раскрывом антенны.

Недостатком этой антенны является то, что она не позволяет сформировать в Е-плоскости в широкой полосе частот широкую ДН, имеющую в пределах главного лепестка секторную форму, с малой неравномерностью.

Это объясняется следующим. Длина средней линии поперечного сечения плавного перехода в Н-плоскости в любом его сечении равна ширине поперечного сечения прямоугольного волновода, обеспечивающего распространение в нижней части рабочего диапазона частот антенны только основного типа волны. Расстояние между внешней и внутренней стенками в любом поперечном сечении плавного перехода в 9-11 раз меньше длины средней линии поперечного сечения плавного перехода в Н-плоскости. Такие соотношения размеров обеспечивают распростарнение только основного типа волны H₁₀. При этом вектор напряженности электрического поля перпендикулярен внешней и внутренней стенкам плавного перехода, а вектор напряженности магнитного поля параллелен им. На входе секторного коаксиального рупора волна H₁₀ плавного перехода трансформируется в волну H₁₀ секторного коаксиального рупора, которая, достигая раскрыва, формирует на нем в плоскости огибающей косинусоидальное распределение. При этом вектор ортогонален внешней и внутренней стенкам секторного коаксиального рупора, а вектор параллелен им. В результате излучения из раскрыва антенны формируется широкая ДН в Н-плоскости, имеющая косинусоидальную форму. Форма ДН и зависимость характеристик излучения от частоты в Е-плоскости аналогичны форме ДН и зависимости характеристик излучения от частоты Е-секториального рупора с размерами, совпадающими с размерами секторного коаксиального рупора в Е-плоскости.

Для формирования широкой столообразной ДН в Е-плоскости необходимо обеспечить распространение в плавном переходе и секторном коаксиальном рупоре волну типа H₀₁, вектора которой параллелен внешней и внутренней стенкам плавного перехода и рупора. Однако распространение волны типа H₀₁ в переходе и секторном коаксиальном рупоре невозможно, так как в переходе с размерами, определенными в прототипе, такая волна существовать не может. В том случае, если все же будут приняты меры к ее возбуждению, волна H₀₁ будет отсутствовать на раскрыве и КСВ этой антенны будет недопустимо высоким, более 20.

Цель изобретения формирование секторной ДН в Е-плоскости с низкой неравномерностью в широкой полосе частот при низком КСВ на входе антенны.

Цель достигается тем, что в широкополосной антенне, которая содержит прямоугольный волновод, соединенный с ним плавный переход от прямоугольного волновода к секторному, выход которого соединен с узким концом секторного коаксиального рупора, широкий конец которого является раскрывом антенны, на выходе плавного перехода от прямоугольного волновода к секторному установлена плосковыпуклая диэлектрическая линза, обращенная плоской поверхностью к раскрыву секторного коаксиального рупора, а выпуклая поверхность линзы описывается параметрической формулой где (r_oϕ) полярные координаты точек средней линии поперечного сечения плавного перехода от прямоугольного волновода к секторному с центром системы координат на оси вращения, t толщина линзы в точках с угловой координатой ϕ, n эффективный коэффициент преломления материала линзы, a параметр, изменяющийся от минус a_m до α_m, Δβ угловой размер поперечного сечения на выходе плавного перехода, Dl длина плавного перехода от прямоугольного волновода к секторному.

при этом внешняя и внутренняя стенки перехода выполнены в виде вырезок из цилиндрических поверхностей, осью которых является коаксиальная ось антенны, расстояние между ними не менее половины наибольшей длины волны рабочего диапазона, а боковые стенки перехода выполнены в виде винтовых поверхностей, угол между которыми плавно увеличивается от 0 до Δβ = KΨ^E_0,5,
где Ψ^E_0,5 ширина ДН в Е-плоскости по уровню минус 3 дБ,
K коэффициент, изменяющийся в интервале 1,1-1,3;
внутренняя и внешняя стенки секторного коаксиального рупора представляют собой угловые вырезки из фигур вращения вокруг коаксиальной оси, причем образующей внутренней стенки является участок одного витка разворачивающейся, внешней стенки сворачивающейся спирали Архимеда с радиусами кривизны не менее наибольшей рабочей длины волны и угловыми размерами 90°-Θ_o,
где Θ_o угол поднятия ДН в Н-плоскости в градусах, боковые стенки секторного коаксиального рупора выполнены плоскими и угол между ними в любом поперечном сечении постоянен и равен Δβ, а расстояние от коаксиальной оси до средней линии раскрыва определяется соотношением
.

На фиг. 1 изображена предлагаемая антенна; на фиг.2 то же, сечение в плоскости, проходящей через ось вращения; на фиг.3 схема линз; на фиг.4 экспериментальные ДН антенны с линзой; на фиг.5 то же, без линзы; на фиг.6 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.7 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.8 сечение В-В на фиг.1; на фиг.9 сечение Г-Г на фиг.1.

Предлагаемая антенна содержит прямоугольный волновод 1, секторный коаксиальный рупор 2, плавный переход 3, диэлектрическую линзу 4.

Плавный переход 3 соединяет волновод 1 и узкий конец рупора 2. Узкий конец рупора 2 имеет форму секторного волновода. Широкий конец рупора 2 является раскрывом антенны и расположен ортогонально направлению ДН в Н-плоскости.

Диэлектрическая линза 4 расположена на выходе плавного перехода 3.

Секторный коаксиальный рупор 2 содержит плоские боковые стенки 5 и 6, внутреннюю 7 и внешнюю 8 стенки.

Внутренняя 7 и внешняя 8 стенки представляют собой угловые вырезки из фигур вращения вокруг оси вращения (коаксиальной оси) О₁О₂ (фиг.1, 2, 6-9). Фигура вращения, соответствующая внутренней стенке 7, вложена в фигуру вращения, соответствующую внешней стенке 8. Образующая внутренней стенки 7 является участком одного витка разворачивающейся, внешней стенки 8 - сворачивающейся спирали Архимеда, которые имеют радиусы кривизны, не меньшие максимальеой рабочей длины волны λ_max. Угловые размеры участков ϕ_max одинаковы. Расстояние между стенками 7 и 8 не менее половины максимальной рабочей длины волны .

Образующие внутренней 7 и внешней 8 стенок определяются формулами:
для внутренней стенки 7

для внешней стенки 8

где ρ,ζ полярные координаты точек поверхностей внутренней 7 и внешней 8 стенок, 0°≅ζ≅90°-Θ_o;
R расстояние от центра полярной системы координат до оси вращения О₁О₂ в плоскости узкого конца рупора 2 (фиг. 2);
a половина расстояния между внешней 8 и внутренней 7 стенками узкого конца рупора 2 (фиг.2);
A половина расстояния между внешней 8 и внутренней 7 стенками на раскрыве рупора 2;
Θ_o угол поднятия ДН в Н-плоскости, в градусах;
Угол Θ_o отсчитывается от нормали к оси вращения O₁O₂ в направлении к последней и мзменяется от 0 до 90^o;
r₁ расстояние от оси вращения O₁O₂ до внутренней стенки рупора 2 в плоскости узкого конца.

Расстояние между стенками 7 и 8 на раскрыве рупора 2 определяется шириной ДН в Н-плоскости по формуле

где Ψ^н_0,5 заданная ширина ДН в Н-плоскости по уровню минус 3 дБ;
λ рабочая длина волны.

Боковые стенки 5 и 6 секторного рупора 2 выполняются плоскими, а их форма определяется формой внутренней 7 и внешней 8 стенок. Угол между боковыми стенками 5, 6 в любом поперечном сечении постоянен и определяется по формуле
Δβ = KΨ^E_0,5,
где Ψ^E_0,5 требуемая ширина ДН в Е-плоскости по уровню минус 3 дБ, K - изменяется в интервале 1,1-1,3.

Расстояние r' от оси вращения O₁O₂ до средней линии раскрыва (фиг.2) определяется соотношением

Плавный волноводный переход 3 предназначен для преобразования волны типа H₀₁ прямоугольного волновода в волну типа H₀₁ секторного волновода. Со стороны волновода 1 переход 3 прямоугольный волновод; со стороны рупора 2 секторный волновод.

Внешняя и внутренняя стенки перехода 3 являются вырезками из цилиндрических поверхностей, ось которых совпадает с коаксиальной осью O₁O₂. Цилиндрическая поверхность, соответствующая внутренней стенке, вложена в поверхность вращения, соответствующую внешней стенке перехода 3. Расстояние между внутренней и внешней стенками перехода 3 на менее . В противном случае в части рабочего диапазона частот распространение энергии по переходу 3 невозможно.

Боковые стенки перехода 3 представляют собой винтовые поверхности. Угол δ между боковыми стенками перехода 3 изменяется плавно от 0^o до Db (фиг.2).

Длина перехода 3 определяется требованиями к широкополосности антенны и выбирается из условия: амплитуда высших типов волн, возбуждаемых на входе перехода 3, должна быть не более минус 20 дБ относительно амплитуды основного типа волны. Длина перехода должна быть не меньше

где Δβ выражено в радианах;
l_min минимальная длина волны рабочего диапазона;
b размер поперечного сечения прямоугольного волновода 1 вдоль узкой стенки.

Диэлектрическая линза 4 предназначена для компенсации разности фаз лучей, возникающей в плавном переходе 3, и расположена на выходе плавного перехода 3 от прямоугольного волновода к секторному.

Со стороны рупора 2 линза 4 имеет плоскую поверхность, со стороны перехода 3 выпуклую.

Выпуклая поверхность линзы 4 представляет собой свернутую вдоль цилиндрической поверхности радиусом r₁+a с центром на оси вращения OO' гиперболу и описывается параметрической формулой

где (r_o,ϕ) полярные координаты точек средней линии поперечного сечения плавного перехода 3 от прямоугольного волновода к секторному с центром системы координат на оси вращения;
t толщина линзы в точках с угловой координатой ϕ;
n эффективный коэффициент преломления линзы;
a изменяется от минус a_m до α_m,

Δβ угловой размер поперечного сечения на выходе плавного перехода;
Dl длина плавного перехода от прямоугольного волновода к секторному;
.

Размеры волновода 1, рупора 2, плавного перехода 3, линзы 4 определяются по заданным характеристикам антенны.

Предлагаемая антенна работает следующим образом. Электромагнитная энергия распространяется по волноводу 1 в виде волны типа H₀₁. На входе плавного перехода 3 формируется спектр волн плавного перехода. При выбранных размерах перехода 3 амплитуда высших типов волн на входе перехода 3 не более минус 20 дБ относительно амплитуды основного типа волны перехода 3 H₀₁.

В переходе 3 электромагнитная волна распространяется вдоль лучей, представляющих собой винтовые линии. При этом длина луча определяется по формуле

где r_o=r₁+a средний радиус поперечного сечения перехода 3;
Δβ,Δβ_н угловой размер поперечного сечения перехода 3 на выходе и входе соответственно;

β_л угловая координата начала луча в поперечном сечении на входе перехода 3;
Δl длина перехода 3.

В результате того, что длины различных лучей в переходе 3 различны, фазовое распределение поля в выходном сечении перехода 3 будет несинфазно. Собственные типы волн на входе секторного коаксиального рупора 2 синфазны. Несовпадение собственных типов волн плавного перехода и секторного коаксиального рупора приведет к возникновению спектра высших типов волн и значительному отражению электромагнитной энергии. Это определяет высокую неравномерность ДН в Е-плоскости и недостаточно низкий КСВ.

Линза 4 позволяет преобразовать волну H₀₁ плавного перехода в волну H₀₁ секторного коаксиального рупора. Это происходит следующим образом. Электромагнитная энергия поступает на вход линзы 4. Длины путей лучей в линзе 4 неодинаковы. За счет выбора профиля линзы 4 в ней происходит компенсация разности фаз лучей. В результате на выходе линзы 4 формируется синфазное поле. Распределение амплитуды и фазы на выходе линзы 4 совпадает с распределением амплитуды и фазы в волне H₀₁ секторного коаксиального рупора 2.

Далее электромагнитная волна поступает на вход рупора. При этом на входе рупора возбуждается практически только одна гармоника H₀₁.

При распространении волны в секторном коаксиальном рупоре 2 происходит изменение направления распространения волны в каждом сечении, проходящем через ось вращения O₁O₂. В результате волновые вектора разворачиваются в угловом секторе ΔΘ, на раскрыве рупора 2 формируется конический фронт с синфазным распределением поля на нем. Секторный коаксиальный рупор 2 обеспечивает трансформацию поля с выхода перехода 3 к раскрыву антенны без возбуждения высших типов волн. При этом вектор направлен перпендикулярно боковым стенкам 5, 6 коаксиального рупора. Дифракционные процессы на раскрыве большого радиуса невелики, поэтому в Е-плоскости ДН в пределах главного лепестка имеет столообразную форму с малой неравномерностью.

Испытания образца антенны показали, что неравномерность ДН антенны с линзой составляет около 3 дБ, а без линзы около 10 дБ (фиг.4, 5). КСВ антенны при установке линзы уменьшается на 12%

Формула изобретения

Широкополосная антенна, содержащая прямоугольный волновод, соединенный с ним плавный переход от прямоугольного волновода к секторному, выход которого соединен с узким концом секторного коаксиального рупора, широкий конец которого является раскрывом антенны, отличающаяся тем, что на выходе плавного перехода от прямоугольного волновода к секторному установлена плосковыпуклая диэлектрическая линза, обращенная плоской поверхностью к раскрыву секторного коаксиального рупора, а выпуклая поверхность линзы описывается параметрической формулой


где (r_o,ϕ) - полярные координаты точек средней линии поперечного сечения плавного перехода от прямоугольного волновода к секторному с центром системы координат на оси вращения;
t толщина линзы в точках с угловой координатой ϕ;
n эффективный коэффициент преломления материала линзы;
α - параметр, изменяющийся от минус α_m до α_m;

Δβ - угловой размер поперечного сечения на выходе плавного перехода;
Δl - длина плавного перехода от прямоугольного волновода к секторному,

при этом внешняя и внутренняя стенки перехода выполнены в виде вырезок из цилиндрических поверхностей, осью которых является коаксиальная ось антенны, расстояние между ними не менее половины наибольшей длины волны рабочего диапазона, боковые стенки перехода выполнены в виде винтовых поверхностей, угол между которыми плавно увеличивается от 0^o до Δβ = KΨ^E_0,5,
где Ψ^E_0,5 - ширина диаграммы направленности в Е-полоскости по уровню минус 3 дБ;
К коэффициент, изменяющийся в интервале 1,1 1,3,
внутренняя и внешняя стенки секторного коаксиального рупора представляют собой угловые вырезки из фигур вращения вокруг коаксиальной оси, причем образующей внутренней стенки является участок одного витка разворачивающейся спирали Архимеда, внешней стенки сворачивающейся спирали Архимеда с радиусами кривизны не менее наибольшей рабочей длины волны и угловыми размерами 90°- Θ_o, где Θ_o - угол поднятия диаграммы направленности в Н-плоскости в градусах, боковые стенки секторного коаксиального рупора выполнены плоскими и угол между ними в любом поперечном сечении постоянен и равен Δβ, а расстояние от коаксиальной оси до средней линии раскрыва определяется соотношением
о

РИСУНКИ

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