Облучатель зеркальной антенны

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат заключается в возможности согласования облучателя с хорошим качеством в широком диапазоне частот, в повышении коэффициента усиления антенны и поляризационной развязки. Сущность изобретения состоит в том, что в облучателе зеркальной антенны, содержащем волновод и рефлектор, на защитном диэлектрическом кожухе, установленном снаружи волновода, соосно волноводу закреплен проводник с индуктивным характером проводимости, согласующий одновременно кожух и апертуру волновода. Проводник может быть выполнен, например, в виде плоского или проволочного кольца, или в виде нескольких витков тонкой проволоки. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенной технике, в частности в технике связи и спутникового телевидения.

Известен облучатель зеркальной антенны, состоящий из волновода, рефлектора и защитной диэлектрической пластины, расположенной в раскрыве рефлектора [1, стр.534, 535, рис.10-22а]. Согласование облучателя основано на компенсации волн, отраженных от горловины рефлектора и диэлектрической пластины. Недостатком этого облучателя является согласование в узком диапазоне частот из-за того, что расстояние между горловиной рефлектора и пластиной составляет значительную величину.

Известна также согласованная опора в круглом волноводе, состоящая из диэлектрического тонкого диска и расположенных на его поверхностях двух соосных кольцевых плоских проводников с индуктивным характером проводимости [2]. Тонкий диэлектрический диск представляет собой проводимость емкостного типа. Эта проводимость компенсируется индуктивной проводимостью колец, расположенных на диэлектрическом диске. Благодаря этому шайба оказывается согласованной в широком диапазоне частот. Недостатком этой согласованной шайбы является то, что при ее установке в апертуре в качестве защитной диэлектрической крышки не происходит компенсации скачка волнового сопротивления волновода и свободного пространства, что приводит к ухудшению согласования облучателя.

Известен также облучатель для симметричной параболической антенны, содержащий круглый волновод, выступающий над ребристым рефлектором с канавками прямоугольной формы, диэлектрического кольца и радиопрозрачной диэлектрической пленки для исключения воздействия климатических факторов [3]. Согласование облучателя основано на применении тонкой диэлектрической пленки, обладающей радиопрозрачными свойствами. Недостатком этого облучателя является наличие тонкой пленки, не обеспечивающей достаточной прочности при эксплуатации. В частности, такая пленка может быть легко разорвана клювами ворон.

Известен также облучатель зеркальной антенны, содержащий волновод, рефлектор и защитный диэлектрический кожух, установленный на рефлекторе [1, стр.535, рис.10-22в]. Кожух предназначен для защиты облучателя от атмосферных условий. Кожух расположен за раскрывом рефлектора. Согласование облучателя основано на компенсации волн, отраженных от апертуры облучателя и диэлектрического кожуха. Недостатком этого облучателя является согласование в узком диапазоне частот из-за того, что расстояние между апертурой облучателя и диэлектрическим кожухом составляет значительную величину. Этот облучатель зеркальной антенны выбран в качестве прототипа.

В основу настоящего изобретения положена задача создать облучатель зеркальной антенны с согласованием в широком диапазоне частот.

Поставленная задача решается тем, что в облучателе зеркальной антенны, содержащей волновод, рефлектор и защитный диэлектрический кожух, установленный снаружи волновода, на нем закреплен проводник с индуктивным характером проводимости. Дополнительно проводник с индуктивным характером проводимости выполнен в виде плоского или проволочного кольца. Дополнительно проволочное кольцо выполнено в виде нескольких витков тонкой проволоки.

Такое выполнение облучателя зеркальной антенны позволяет обеспечить согласование облучателя с хорошим качеством в широком диапазоне частот, повысить коэффициент усиления антенны и поляризационную развязку.

Изобретение поясняется чертежами, где

- на фиг.1 изображен вариант облучателя для осесимметричной зеркальной антенны;

- на фиг.2 изображен вариант облучателя для офсетной зеркальной антенны;

- на фиг.3 изображены варианты выполнения индуктивного проводника;

- на фиг.4 изображены кривые зависимости коэффициента отражения облучателя с индуктивным кольцом и без него.

Облучатель для осесимметричной зеркальной антенны изображен на фиг.1 и состоит из, например, круглого волновода 1, фланца 2, волноводного перехода 3 овального поперечного сечения, рефлектора 4 и защитного диэлектрического кожуха 5, закрепленного в волноводе 1. Внутри волновода 1 может быть расположена диэлектрическая пластина 6 поляризатора, предназначенная для формирования поля круговой поляризации и ориентированная под углом 45 градусов к плоскости Е волноводного перехода 3. Рефлектор 4 выполнен по какой-либо известной схеме и служит для формирования соответствующей широкой диаграммы направленности. Плоскость 7 диэлектрического кожуха 5 расположена на расстоянии 0,125λ, где λ - рабочая длина волны от апертуры 8 волновода 1. На внутренней плоскости 7 диэлектрического кожуха 5 расположен проводник с индуктивным характером проводимости, выполненный, например, в виде плоского кольца 9. Кольцо 9 установлено соосно с волноводом 1. Рефлектор 4 присоединен к волноводу 1 с помощью винта 10.

Облучатель для офсетной зеркальной антенны изображен на фиг. 2 и состоит из, например, круглого волновода 11, фланца 12, волноводного перехода 13 овального поперечного сечения, рефлектора 14 и защитного диэлектрического кожуха 15, закрепленного на рефлекторе 14. Внутри волновода 11 может быть расположена диэлектрическая пластина 16 поляризатора, предназначенная для формирования поля круговой поляризации и ориентированная под углом 45 градусов к плоскости Е волноводного перехода 13. Рефлектор 14 формирует более узкую диаграмму направленности, предназначенную для облучения офсетного зеркала. Плоскость 17 защитного диэлектрического кожуха 15 также расположена на расстоянии 0,125λ от апертуры 18 волновода 11. При этом на внутренней плоскости 17 диэлектрического кожуха 15 расположен проводник с индуктивным характером проводимости, выполненный, например, в виде плоского кольца 19. Кольцо 19 установлено соосно с волноводом 11. Рефлектор 14 закреплен на волноводе 1 с помощью винта 20.

Рассмотрим принцип работы облучателя зеркальной антенны. Отражение волны в апертуре волновода происходит из-за скачка волновых сопротивлений волновода и свободного пространства. Зависимость коэффициента отражения круглого волновода от частоты имеет спадающий вид [4, стр.241, 242]. Величина коэффициента отражения для круглого волновода изменяется в диапазоне частот в пределах от 0,3 до 0,15. Для согласования апертуры волновода дополнительной проводимостью в соответствии с диаграммой Вольперта-Смита есть две возможности. Первая возможность заключается в установке проводимости емкостного типа внутри волновода на расстоянии 0,125λg, где λg - длина волны в волноводе. Вторая возможность заключается в установке проводимости индуктивного типа снаружи волновода на расстоянии 0,125λ от апертуры волновода. Как известно, величина индуктивной проводимости уменьшается с увеличением частоты, то есть отражение от нее носит спадающий характер, как и для коэффициента отражения от апертуры волновода. Поэтому для широкополосного согласования более предпочтительна вторая возможность, обеспечивающая компенсацию волн примерно одинаковой амплитуды в рабочем диапазоне частот. При этом проводимость индуктивного типа должна также скомпенсировать емкостную проводимость диэлектрического кожуха, на которой она расположена. Таким образом, защитный диэлектрический кожух также должен располагаться на расстоянии 0,125λ. Для волн с круговой поляризацией поля целесообразно индуктивный проводник выполнить в форме кольца, обладающего осевой симметрией. Это индуктивное кольцо обеспечит радиопрозрачность защитного диэлектрического кожуха и широкополосное согласование облучателя. Поскольку индуктивное кольцо является слабовозбужденным элементом, так как отражение от него сравнимо с отражением от апертуры волновода, то оно практически не оказывает влияния на диаграмму направленности облучателя.

Индуктивная проводимость может быть также реализована на основе других структур. Проводимость прямолинейного проводника зависит от его длины. Прямолинейный проводник, ориентированный вдоль линий электрического поля и не имеющий электрического контакта со стенкой волновода, имеет проводимость емкостного типа при длине проводника менее λ/2. При этом проводник полностью отражает волну при длине λ/2 (явление резонанса). Для обеспечения индуктивного характера проводимости длина прямолинейного проводника должна быть выбрана в пределах от λ/2 до λ (и так далее с учетом периодичности). При длине проводника, равной λ, отражение от него отсутствует, так как полуволны тока на проводнике одинаковы и противоположны. На практике для реализации индуктивной проводимости и размещения ее на поверхности кожуха целесообразно использовать длинные изогнутые проводники. Частотная зависимость коэффициента отражения изогнутого проводника определяется общей длиной проводника и соотношением части проводника, параллельной электрическому полю, и части, перпендикулярной ему. Конструктивный облик индуктивных проводников может быть различным. Они могут быть выполнены на основе проволочных структур или плоских проводников на диэлектрической подложке, могут быть выполнены в виде спиралей или изогнутых многократно под прямым углом проводников. Выбор оптимальной конструкции индуктивного проводника определяется конструкцией облучателя, влиянием рефлектора и типом поляризации. На фиг.3 приведены варианты выполнения индуктивного проводника. Для линейно поляризованной волны достаточно применить длинный изогнутый проводник, вытянутый вдоль направления поляризации волны (вдоль вектора электрического поля Е). Форма длинного проводника может быть выполнена в виде спирали 21, меандра 22 или змейки 23. Частотная зависимость коэффициента отражения изогнутого проводника зависит от его параметров (числа витков, длины проводника, шага), причем коэффициент отражения уменьшается с уменьшением шага изогнутого проводника. Геометрические размеры проводников подбираются из условия согласования облучателя. На фиг.3г индуктивный проводник выполнен в виде двух дуг 24 из проводников. Вектор электрического поля Е направлен вдоль концов дуг. На концах дуг 24 токи проводимости равны нулю, поэтому две дуги действуют как сплошное индуктивное кольцо.

Для волны круговой поляризации целесообразно индуктивный проводник выполнить в виде кольца. Кольцо 25 может быть выполнено из проволоки, концы которой спаяны, фиг.3д. Плоское кольцо 26 на фиг.3е может быть вырезано из металлической фольги и наклеено на плоскость кожуха, вытравлено по фотошаблону на тонкой фольгированной диэлектрической пленке или напылено на плоскость кожуха. Другим вариантом выполнения кольца 27 является несколько витков тонкой проволоки по фиг.4ж. Благодаря нескольким виткам разрыв проволоки оказывается несущественным для волны круговой поляризации, поэтому многовитковое кольцо действует как сплошное. Изготовление такого кольца не требует применения сложных технологий и приспособлений. Витки наматываются на круглую болванку нужного радиуса, а затем кольцо приклеивается к плоскости диэлектрического кожуха.

На фиг.4 представлены экспериментальные кривые зависимостей коэффициента отражения. Кривая 28 соответствует начальному коэффициенту отражения от апертуры офсетного облучателя по фиг.2 с защитным диэлектрическим кожухом 15 толщиной 0,02λ. Коэффициент отражения достигает величины 0,3 на нижнем краю диапазона. Кривая 29 соответствует коэффициенту отражения от апертуры офсетного облучателя с защитным диэлектрическим кожухом 15, на поверхности которого расположено индуктивное кольцо 19. Кольцо 19 обеспечивает хорошее согласование облучателя в диапазоне частот до 20 процентов. Внутренний радиус кольца 19 при этом равен 0,3λ, ширина кольца 0,04λ. Эти результаты также подтверждаются с помощью расчетов на основе программы электродинамического моделирования.

Достоинством предложенного решения является согласование облучателя в широком диапазоне частот. При этом потери на отражение снижаются на 0,2 дБ. Кроме того, предлагаемое решение приводит к улучшению поляризационной развязки в случае работы с волной круговой поляризации, так как волна, отраженная от апертуры волновода, непосредственно дает вклад в кросс-поляризационную составляющую. Оценка показывает, что уменьшение коэффициента отражения от апертуры облучателя с 0,21 до 0,05 приводит к повышению поляризационной развязки облучателя на 13 дБ. Таким образом, предлагаемый облучатель обеспечивает повышение коэффициента усиления зеркальной антенны вследствие снижения потерь на отражение и повышение уровня согласования по поляризации.

Источники информации

1. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. - М. - Л.: «Энергия», 1966.

2. Патент РФ №2038660, H 01 P 1/00, 1992.

3. Патент СССР №1794266, H 01 Q 13/02, 1990.

4. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н., Антенны УКВ. - ч.1. М.: «Связь», 1977.

1. Облучатель зеркальной антенны, содержащий волновод, рефлектор и защитный диэлектрический кожух, установленный снаружи волновода, отличающийся тем, что на кожухе соосно волноводу закреплен проводник с индуктивным характером проводимости, согласующий кожух и апертуру волновода.

2. Облучатель по п.1, отличающийся тем, что проводник с индуктивным характером проводимости выполнен в виде плоского или проволочного кольца.

3. Облучатель по п.2, отличающийся тем, что проволочное кольцо выполнено в виде нескольких витков тонкой проволоки.