Широкополосный волноводно-рупорный излучатель
Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к антенной технике, и может быть использовано в составе антенных решёток или зеркальных антенн, а также в виде самостоятельной антенны. Техническим результатом является увеличение широкополосности, использование коаксиального ввода питающей линии и уменьшение диссипативных потерь в верхней части сантиметрового диапазона длин волн. Широкополосный волноводно-рупорный излучатель содержит отрезок волновода, в Е-плоскости которого, посередине, размещены два продольных металлических гребня с изменяющимся зазором между их обращёнными друг к другу кромками, короткозамыкатель волновода с размещённым на нём соосным волноводу вводом питающей линии, возбудитель излучателя и трансформатор волновых сопротивлений, при этом возбудитель выполнен в виде прямолинейного цилиндрического проводника, являющегося продолжением центрального проводника упомянутого ввода, а сам ввод выполнен коаксиальным. Возбудитель подключён с гальваническим контактом к торцу одного из гребней, отстоящему, для размещения преобразователя типов волн, на некоторое расстояние от короткозамыкателя, имеющего форму уступа. Торец другого гребня непосредственно соединён с короткозамыкателем, причём оба гребня выполнены без использования диэлектрика и их кромки со стороны коаксиального ввода имеют ряд ступеней, образующих трансформатор волновых сопротивлений. Первая, ближайшая к вводу ступень этого трансформатора, является частью упомянутого преобразователя типов волн, а последняя примыкает к регулярному Н-образному волноводу, переходящему в волновод с плавно увеличивающимся в сторону раскрыва зазором между кромками гребней. При этом преобразователь типов волн состоит из двух последовательных отрезков линии передачи, первый из которых, ближайший к коаксиальному вводу, является отрезком коаксиальной линии с прямоугольным внешним проводником, а второй - отрезком коаксиальной линии с П-образным внешним проводником, центральным проводником которых является упомянутый возбудитель. 4 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к антенной технике, и может быть использовано в составе антенных решеток или зеркальных антенн, а также в виде самостоятельной антенны.
Для приема (излучения) электромагнитных волн в диапазоне СВЧ в ряде случаев требуются широкополосные малогабаритные волноводно-рупорные излучатели, возбуждаемые коаксиальной линией передачи. Такие излучатели могут строиться на основе зондовых возбуждающих устройств в прямоугольном волноводе, описанных в литературе [1]. Наиболее широкополосное из этих устройств [1, рис. 6.5] выполняется в виде зонда пуговичного типа, когда центральный проводник коаксиальной линии, ортогональный широкой стенке питающего волновода, оканчивается утолщением определенных размеров и формы. Однако, даже при использовании дополнительных реактивных согласующих элементов, рабочая полоса частот такого возбуждающего устройства достигает всего 20% [1, с. 159], что ограничивает полосу излучателя. Кроме того, ортогональный ввод увеличивает поперечные размеры излучателя в Е-плоскости.
Значительно более широкополосным является рупорный излучатель [2] на основе Н-образного круглого волновода и возбуждающего устройства с коаксиальным вводом. Продолжение центрального проводника коаксиальной линии (зонд) ортогонально продольной оси излучателя. Из-за применения ортогонального ввода излучатель [2] также имеет увеличенные поперечные размеры.
Для уменьшения поперечных размеров волноводно-рупорного излучателя необходимо использовать питающую линию с соосным вводом. Такое устройство может строиться на основе перехода [3], содержащего штырь Г-образной формы, который является продолжением центрального проводника коаксиальной линии. Штырь подключен к металлической перегородке, разделяющей полости прямоугольного волновода и уступа. Однако такой переход, как указано в [3], имеет полосу пропускания всего 5%.
Наиболее близким к заявляемому излучателю по технической сущности и достигнутому эффекту является волноводно-рупорный излучатель [4], принятый за прототип. Этот излучатель возбуждается соосным полосковым вводом, для чего внутри излучателя, перпендикулярно широким стенкам волновода, в его средней части установлена диэлектрическая пластина с металлизацией, образующей с одной стороны упомянутой пластины возбудитель в виде изогнутого проводника, а с другой стороны - продольные гребни с зазором между ними. Этот зазор между гребнями перекрывает (в проекции) упомянутый изгиб возбудителя. При этом гальванический контакт между гребнями и возбудителем отсутствует. Поле между гребнями возбуждается изгибом, который в этом месте ориентирован ортогонально продольной оси излучателя.
Трансформатор волновых сопротивлений излучателя [4] содержит комбинацию параллельного и последовательного (относительно нагрузки) шлейфов. Параллельный шлейф является короткозамкнутым, он образован отрезком волновода длиной 
в/4 между изгибом возбудителя и короткозамыкающей волновод плоской пластиной, а последовательный шлейф является разомкнутым, он образован отрезком полосковой линии длиной п/4 между изгибом и концом возбудителя. Такая комбинация шлейфов обеспечивает широкополосное согласование реактивностей, а постоянство активной составляющей входного сопротивления обеспечивается подбором размеров полоска и гребней. При этом полоса частот может составлять около октавы. Работоспособность излучателя [4] проверена на частотах вблизи 5,5 ГГц. Недостатками прототипа [4] являются:
- недостаточная (в ряде случаев) широкополосность, что обусловлено использованием гребней малой толщины, равной толщине металлизации;
- отсутствие коаксиального ввода питающей линии;
- увеличенные диссипативные потери при работе в верхней части сантиметрового диапазона, а тем более в милиметровом диапазоне (на частотах выше 10 ГГц), обусловленные присутствием внутри излучателя диэлектрической пластины.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков. Для достижения указанной цели предлагается излучатель, содержащий отрезок волновода, в Е-плоскости которого, посередине, размещены два продольных металлических гребня с изменяющимся зазором между их обращенными друг к другу кромками, короткозамыкатель волновода с размещенным на нем соосным волноводу вводом питающей линии, возбудитель и трансформатор волновых сопротивлений.
Согласно изобретению возбудитель выполнен в виде прямолинейного цилиндрического проводника, являющегося продолжением центрального проводника упомянутого ввода, выполненного коаксиальным, и подключен с гальваническим контактом к торцу одного из гребней, отстоящему, для размещения преобразователя типов волн, от короткозамыкателя, имеющего форму уступа, в то время как торец другого гребня непосредственно соединен с короткозамыкателем, оба гребня выполнены без использования диэлектрика, и их кромки со стороны коаксиального ввода имеют ряд ступеней, образующих трансформатор волновых сопротивлений, причем первая, ближайшая к вводу ступень этого трансформатора является частью упомянутого преобразователя типов волн, а последняя примыкает к регулярному Н-образному волноводу, переходящему в волновод с плавно увеличивающимся в сторону раскрыва зазором между кромками гребней, при этом преобразователь типов волн состоит из двух последовательных отрезков линии передачи, первый из которых, ближайший к коаксиальному вводу, является отрезком коаксиальной линии с прямоугольным внешним проводником, а второй - отрезком коаксиальной линии с П-образным внешним проводником, центральным проводником которых является упомянутый возбудитель.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого излучателя из литературы не известны, решение задачи не очевидно, поэтому он соответствует критериям “новизны” и “изобретательского уровня”.
На фиг.1 показан заявляемый излучатель (продольное сечение).
На фиг.2 приведена изометрия излучателя со стороны ввода (рупорная часть не показана).
На фиг.3 показан вид сбоку на преобразователь типов волн и трансформатор волновых сопротивлений.
На фиг.4 приведена зависимость КстU излучателя от частоты.
Широкополосный волноводно-рупорный излучатель (фиг.1) содержит отрезок волновода 1, с одной стороны которого расположен короткозамыкатель 2, имеющий форму уступа, а с другой стороны - рупор 3. Внутри излучателя, перпендикулярно широким стенкам волновода 1 в их средней части, в Е-плоскости, установлены два продольных металлических гребня 4, 5. На короткозамыкателе 2 размещен соосный коаксиальный ввод 6, продолжением центрального проводника которого является возбудитель 7 в виде прямолинейного цилиндрического проводника, подключенного с гальваническим контактом к торцу 8 гребня 5, который отстоит от ввода 6 на расстояние L1. Торец гребня 4 непосредственно соединен с короткозамыкателем 2. Оба гребня 4, 5 выполнены без использования диэлектрика. Обращенные друг к другу кромки гребней 4 и 5 имеют со стороны ввода 6 ряд ступеней, образующих на участке L1+L2 трансформатор волновых сопротивлений. Далее этот трансформатор продолжается регулярным Н-образным волноводом (участок L3), переходящим в рупор с раскрывом А 
В (А -размер в Н-плоскости, на фиг.1 он не виден).
Преобразователь типов волн, размещенный на участке L1, состоит из двух последовательных отрезков линии передачи. Первый из них, примыкающий к коаксиальному вводу 6, является отрезком коаксиальной линии с прямоугольным внешним проводником 9 (фиг.2, 3), а второй - отрезком коаксиальной линии с П-образным внешним проводником 10. Центральным проводником обоих этих отрезков является возбудитель 7. При этом первая, ближайшая к вводу 6 ступень 11 трансформатора волновых сопротивлений является одновременно частью упомянутого преобразователя типов волн, образуя выступ П-образного внешнего проводника 10. В состав трансформатора волновых сопротивлений входят также ступени 12, 13, 14, причем ступень 14 примыкает к регулярному Н-образному волноводу 15, переходящему в волновод с плавно увеличивающимся в сторону раскрыва излучателя зазором между кромками гребней 4 и 5 (участок L4).
Предложенный широкополосный волноводно-рупорный излучатель работает следующим образом. Электромагнитная волна поступает в него (в режиме передачи) через коаксиальный ввод 6 (фиг.1) в виде ТЕМ-волны. Отметим, что основной проблемой при создании широкополосных волноводно-рупорных излучателей является обеспечение эффективной канализации электромагнитной энергии от одного типа линии передачи внутри рупора к другому без отражений, вызываемых несовпадением конфигурации электромагнитного поля в излучателе, перепадом волновых сопротивлений и реактансом преобразователя. В предложенном излучателе преобразование типов волн осуществляется с помощью полости оригинальной формы, окружающей проводник 7 и состоящей из двух частей. В первой из них, с внешним прямоугольным проводником 9 (фиг.2, 3), осуществляется предварительное преобразование электромагнитной волны; поле в этой части хорошо совмещается и с полем в обычной коаксиальной линии, и с полем в коаксиальной линии с П-образным внешним проводником. Во второй части полости преобразователя, с П-образным внешним проводником 10, осуществляется окончательное преобразование типа волны ТЕМ (модифицированной под внешний проводник сначала прямоугольной, а затем П-образной формы) в тип ТЕ, основной в Н-образном волноводе. Емкостной зазор предложенной конфигурации вокруг проводника 7 обеспечивает распределенную компенсацию паразитной индуктивности. При этом распространение электромагнитной волны от сравнительно низкоомного коаксиального ввода 6 (например, 50 Ом) к более высокоомному Н-образному волноводу 15 осуществляется через ступенчатый трансформатор, в котором размеры ступеней 12-14 выбираются из условия обеспечения широкополосного согласования чебышевского типа. Размер ступени 11 этого трансформатора выбирается также с учетом обеспечения упомянутого выше преобразования типов волн. Далее преобразованная и трансформированная электромагнитная волна распространяется по регулярному Н-образному волноводу 15 в сторону рупора 3 и излучается из его раскрыва в свободное пространство. Преимуществом такого функционирования излучателя является возможность обеспечения компактности и хорошего согласования в полосе частот более 1,5 октав.
Предложенный волноводно-рупорный излучатель экспериментально проверен в РНИИРС на частотах 6-18 ГГц. При его создании была использована оригинальная программа расчета волноводов сложных сечений на основе метода частичных областей с учетом особенностей электромагнитного поля вблизи ребер. Размеры регулярного участка Н-образного волновода (L3 на фиг.1) соответствуют американскому стандарту WRD650 (внутренние размеры ab=18,298,15 мм, ширина гребней 4,39 мм, зазор 2,57 мм). Коаксиальный ввод выполнен на основе соединителя SMA с фторопластовой вставкой (Teflon
); использован разъем СРГ-50-751-ФВ (розетка), присоединительный размер - М60,75. Размеры раскрыва АВ=28х25 мм, длина рупора L4=31,3 мм.
Профиль гребней в рупоре, начиная от горловины (фиг.1), соответствует данным таблицы 1.
Длина прямоугольного коаксиала, прилежащего ко вводу, составляет 3,40 мм, длина П-образного коаксиала - 2,45 мм, диаметр возбудителя 7 равен 2,15 мм. Размеры трансформатора приведены в таблице 2.
Измеренный КстU предложенного излучателя (с негерметизированным раскрывом) в полосе частот 6-18 ГГц приведен на фиг.4. Среднее значение КСВН в этой полосе не превышает 1,6 при максимальном значении 1,9 на частоте 17,1 ГГц. Диаграмма направленности излучателя имеет обычную форму.
При использовании предложенного излучателя достигнут следующий технико-экономический эффект по сравнению с прототипом:
1. Широкополосность увеличена не менее чем в 1,5 раза (полоса прототипа составляет около 1 октавы, предложенного излучателя - более 1,5 октав).
2. Создан коаксиальный ввод питающей линии, соосный волноводу (в прототипе такой ввод отсутствует).
3. Уменьшены диссипативные потери на СВЧ, так как отсутствуют потери в диэлектрической пластине, несущей возбудитель (такой пластины в предложенном излучателе нет); выигрыш, по оценкам, составляет 0,2-0,3 дБ на частотах 15-18 ГГц.
По существу данного предложения в РНИИРС разработана эскизная документация и изготовлен действующий образец, испытания которого подтвердили достижение поставленной цели.
Источники информации
1. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Сов. радио, 1972, 320 с.
2. Пат. 4021814, США, кл. 343-786 (HOIQ 13/02). /Д. Керр, М. Тимошко, Л. Харбор. Широкополосный гофрировании рупор с двухгребневым круглым волноводом.
3. А.с. 1103313, СССР, кл. H 01 Q 13/02. /А.Д. Касаткин. Соосный коаксиально-волноводный переход.
4. Пат. 2019008, РФ, кл. H 01 Q 13/02. /Б.В. Борщ, А.Л. Джиоев. Волноводно-рупорный излучатель.
Формула изобретения
Широкополосный волноводно-рупорный излучатель, содержащий отрезок волновода, в Е-плоскости которого посередине размещены два продольных металлических гребня с изменяющимся зазором между их обращёнными друг к другу кромками, короткозамыкатель волновода с размещённым на нём соосным волноводу вводом питающей линии, возбудитель и трансформатор волновых сопротивлений, отличающийся тем, что возбудитель выполнен в виде прямолинейного цилиндрического проводника, являющегося продолжением центрального проводника упомянутого ввода, выполненного коаксиальным, и подключён с гальваническим контактом к торцу одного из гребней, отстоящему для размещения преобразователя типов волн от короткозамыкателя, имеющего форму уступа, в то время как торец другого гребня непосредственно соединён с короткозамыкателем, оба гребня выполнены без использования диэлектрика и их кромки со стороны коаксиального ввода имеют ряд ступеней, образующих трансформатор волновых сопротивлений, причём первая, ближайшая к вводу ступень этого трансформатора, является частью упомянутого преобразователя типов волн, а последняя примыкает к регулярному Н-образному волноводу, переходящему в волновод с плавно увеличивающимся в сторону раскрыва зазором между кромками гребней, при этом преобразователь типов волн состоит из двух последовательных отрезков линии передачи, первый из которых, ближайший к коаксиальному вводу, является отрезком коаксиальной линии с прямоугольным внешним проводником, а второй - отрезком коаксиальной линии с П-образным внешним проводником, центральным проводником которых является упомянутый возбудитель.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
