Волноводный излучатель

 

Волноводный излучатель относится к антенной технике и может использоваться, в частности, в передающих фазированных антенных решетках с плотной упаковкой элементов (d≅0,5λ) и широкоугольным сканированием при работе на высоких уровнях СВЧ-мощности. Сущность изобретения заключается в том, что волноводный излучатель содержит отрезок короткозамкнутого с одного торца металлической пластиной Н-волновода, имеющую длины λ_в/4, где λ_в - максимальная рабочая длина волны в волноводе, который гальванически соединен с излучающим раскрывом длиной λ, где λ/2 - максимальная рабочая длина волны в свободном пространстве. Излучающий раскрыв представляет собой продолжение верхней и нижней стенок Н-волновода с расположенными на них параллельно вектору Е выступами длиной не менее λ/8, высота которых на участке излучающего раскрыва плавно уменьшается по линейному закону до высоты не менее 1/3 выступа в Н-волноводе. В короткозамыкающей пластине имеется Н-образная согласованная щель. Техническим результатом является уменьшение размеров излучателя при уменьшении массы и упрощении технологии изготовления. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а точнее к антенной технике, и может быть использовано как излучающий элемент фазированной антенной решетки, так и в виде самостоятельной антенны.

Известны волноводные излучатели на основе круглых и прямоугольных волноводов, которые широко применяются в СВЧ-технике в качестве излучателей антенных решеток. При широкоугольном сканировании лучом антенной решетки центры излучателей должны располагаться на достаточно близком расстоянии друг от друга (d≅0,5λ) . Поэтому возникает необходимость в уменьшении поперечных размеров излучателей, для чего используют заполнение волноводов диэлектриком, при этом поперечные размеры уменьшаются в раз, где ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (см а.с. N 1288790, H 01 Q 13/00). Недостатком таких излучателей является сравнительно большая масса, а также большая пожароопасность при работе на высоких уровнях СВЧ-мощности.

Известны также излучатели на основе Н-волноводов. Такие излучатели содержат массивные металлические гребни для согласования волновых сопротивлений Н-волновода и свободного пространства. Металлические гребни вблизи раскрыва излучателя имеют определенную криволинейную форму, которая как и зазор между гребнями в волноводе, должна выдерживаться с большой точностью. Недостатком таких излучателей является сложность изготовления и установки гребней.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному волноводному излучателю является, принятый за прототип, волноводно-рупорный излучатель (патент РФ N 2019008, H 01 Q 13/02), содержащий отрезок прямоугольного волновода, короткозамкнутый на одном торце металлической пластиной, а другим торцом гальванически соединенный с рупором. Внутри излучателя, перпендикулярно широким стенкам, в E-плоскости, посередине, размещены два продольных металлических гребня, выполненных металлизацией на одной из сторон диэлектрической пластины. Между этими гребнями в волноводе имеется зазор постоянной ширины в области горловины рупора, переходящий в зазор увеличивающейся ширины. На обратной стороне диэлектрической пластины имеется возбудитель в виде изогнутого проводника, выполненный металлизацией и пересекающий в проекции зазор между гребнями. Входной фидер выполнен в виде несимметричной полосковой линии, экраном которой является гребень, а полоском часть возбудителя.

Недостатками описанного прототипа являются: значительные поперечные и продольные размеры излучателя, так как он содержит рупор и коаксиальный вход, а следовательно имеется коаксиально-волноводный переход, увеличивающий продольный размер: к тому же небольшой зазор (0,5 мм) между гребнями в месте перехода не позволяет использовать излучатель в качестве передающей антенны на достаточно высоком уровне мощности; кроме того, коаксиальный вход излучателя затрудняет его использование в сантиметровом диапазоне, так как в этом диапазоне основной канализирующей линией является прямоугольный волновод. К недостаткам также можно отнести и сложность технологии изготовления.

Задачами изобретения являются уменьшение поперечных и продольных размеров излучателя, повышение пожаробезопасности, уменьшение массы и упрощение технологии изготовления.

Сущность изобретения заключается в том, что волноводный излучатель содержит отрезок короткозамкнутого с одного торца металлической пластиной Н-волновода, имеющего длину λ_в/4 , где λ_в - максимальная рабочая длина волны в волноводе, который гальванически соединен с излучающим раскрывом длиной λ/2 , где λ - максимальная рабочая длина волны в свободном пространстве. Излучающий раскрыв представляет собой продолжение верхней и нижней стенок Н-волновода с расположенными на них выступами параллельно вектору E длиной не менее λ/8 , высота которых на участке излучающего раскрыва плавно уменьшается по линейному закону до высоты не менее 1/3 выступа в Н-волноводе. В короткозамыкающей металлической пластине имеется согласованная Н-образная щель, расположенная симметрично относительно продольной оси излучателя.

Описанные конструктивные признаки данного изобретения позволили уменьшить вдвое размеры излучателя, что дает возможность снять ограничения на широкоугольность антенной решетки, определяемые размерами излучателя, без ухудшения технических характеристик излучателя.

На фиг. 1 показан волноводный излучатель, вид сбоку; на фиг. 2 - волноводный излучатель, вид спереди, со стороны раскрыва.

Волноводный излучатель (фиг. 1) содержит отрезок Н-волновода 1 длиной L, короткозамкнутый с одного торца металлической пластиной 2 и с другого торца переходящий в согласованный со свободным пространством излучающий раскрыв. Излучающий раскрыв состоит из двух пластин 3 длиной С, являющихся продолжением верхней и нижней стенок Н-волновода с находящимися на них продолжением выступов 4 Н-волновода длиной К. Внутри излучателя, параллельно вектору E на стенках A в центре Н-волновода (фиг. 1, 2), расположены два выступа 4 высотой d и шириной a. В пределах Н-волновода высота выступов постоянна. От плоскости, где Н-волновод переходит в излучающий раскрыв, высота выступов плавно уменьшается по линейному закону до значения V на длине K. В короткозамыкающей пластине 2 имеется Н-образная щель 5.

Предлагаемый излучатель работает следующим образом. Электромагнитная волна поступает в излучатель от питающего волновода через согласованную Н-образную щель 5 и возбуждает Н-волновод 1, по которому волна распространяется в сторону раскрыва и излучается в пространство.

Излучатель был изготовлен и экспериментально исследован на частоте близкой к 5,5 ГГц. Измерения параметров проводились в составе решетки излучателей. Площадь A x B выбрана, исходя из площади единичной ячейки решетки. Размеры щели в соответствии с фиг. 2 равны: T=0,125A, W=0,45A, H=0,165A. Излучатель изготовлен из алюминия, толщина стенок равна 2 мм. Волновод 1 имеет длину λ_в/4 , где λ_в - максимальная рабочая длина волны в волноводе. Благодаря этому улучшается согласование излучателя с питающим волноводом, так как отражения от торца волновода, граничащего с излучающим раскрывом, складываются с отражениями от Н-образной щели 5 в противофазе и взаимно компенсируются. Длина согласованного излучающего раскрыва C = λ/2 , где λ - максимальная рабочая длина волны в свободном пространстве. В этом случае, волны отраженные от кромки раскрыва, образуют стоячую волну на длине λ/2 и складываясь с бегущей волной создают равномерное амплитудно-фазовое распределение поля в плоскости сечения излучающего раскрыва излучателя, что обеспечивает получение оптимальной диаграммы направленности излучателя в решетке. Ширина выступов 4 Н-волновода составляет a=0,25 A, высота выступов Н-волновода d=0,3 B при отношении B/A=1,15. Длина выступов в излучающем раскрыве равна K=C/3,5. Минимальная высота выступов в излучающем раскрыве равна V=d/2. Для согласования геометрических размеров излучателя с питающим волноводом, был применен волновод, частично заполненный ферритом.

Излучатель имеет КСВН не хуже 1,4 в полосе частот 10%. Эффективная площадь излучения S_эфф равна не менее геометрической площади единичной ячейки решетки излучателей в полосе частот 10%.

По сравнению с прототипом достигнут следующий технико-экономический эффект: уменьшены поперечные размеры излучателя в 2 раза; значительно снижена пожароопасность при работе на высоком уровне СВЧ-мощности; снижены себестоимость и масса излучателя за счет отказа от применения диэлектрических материалов. Кроме того, применяемая технология точного литья обеспечивает необходимую точность соблюдения размеров и снижение трудоемкости при изготовлении излучателя.

Формула изобретения

Волноводный излучатель, содержащий отрезок короткозамкнутого металлической пластиной с одного торца волновода, отличающийся тем, что волновод выполнен в виде Н-волновода, имеющего длину λ_в/4, где λ_в - максимальная рабочая длина волны в волноводе, гальванически соединенного с излучающим раскрывом длиной λ/2, где λ - максимальная рабочая длина волны в свободном пространстве, представляющем собой продолжение верхней и нижней стенок Н-волновода с расположенными на них параллельно вектору Е выступами длиной не менее λ/8, высота которых на участке излучающего раскрыва плавно уменьшается по линейному закону до высоты не менее 1/3 выступов в Н-волноводе, кроме того, в короткозамыкающей пластине имеется согласованная Н-образная щель.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2