Биконический излучатель

Изобретение относится к области радиотехники сантиметрового диапазона длин волн, а именно к биконическим излучателям, и может быть использовано в сверхширокополосных системах связи. Техническим результатом является обеспечение работы антенны на двух ортогональных вертикальной и горизонтальной поляризациях. В раскрыв биконического излучателя, запитываемого с помощью коаксиального фидера через соосный конструкции возбуждающий штырь, внесена периодическая структура анизотропной среды - поляризационный фильтр. Поляризационный фильтр представляет собой соосную с запиткой симметричную конструкцию из трапециевидных металлических пластин, ориентированных под углом 40°-50° к плоскости, перпендикулярной оси антенны и проходящей через геометрический центр биконического излучателя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники сантиметрового диапазона длин волн и позволяет придать биконическому излучателю дополнительные полезные радиотехнические свойства - возможность работы на наклонной и горизонтальной поляризации.

Из уровня техники известны:

Биконический рупорный излучатель [1, с.11, рис.1.2д] для излучения сигнала с вертикальной поляризацией (ВП), с волной типа ТЕМ, возбуждаемой в раскрыве соосным с излучателем штырем. Особенностью данного излучателя является его частотная широкополосность (относительная ширина полосы частот более 150%) и всенаправленная диаграмма направленности (ДН) в плоскости перпендикулярной оси.

Недостатком данного излучателя является невозможность возбуждения волн горизонтальной поляризации (ГП).

Способы возбуждения в биконическом излучателе [1, с.213, рис.5.15 и 2, с.164, рис.16.V] волны TE₀₁ для работы излучателя на горизонтальной поляризации. В общем случае, возбуждение данного типа волн сводится к применению для запитки излучателя специальной системы возбуждения:

- либо, как в биконическом излучателе [1, с.213, рис.5.15], витка тока (магнитного диполя), в плоскости, перпендикулярной оси излучателя;

- либо, как в биконическом излучателе [2, с.164, рис.16.V], кольцевой антенной решетки из симметричных вибраторных антенн в плоскости, перпендикулярной оси излучателя.

Данное решение позволяет сформировать ненаправленную ДН ГП, однако частотная широкополосность конструкций ограничена шириной полосы системы возбуждения. Так, максимальная ширина рабочей полосы магнитного диполя, как и симметричного вибратора с равной эффективной действующей длиной, не более 30…35%, а полоса излучения кольцевой антенной решетки ограничена как частотными характеристиками самих вибраторов, так и сильным искажением результирующей ДН за счет дифракционных максимумов и минимумов провалов.

Кроме того, недостатком существующего решения является невозможность возбуждения волн с ВП.

Биконический излучатель [3] для работы на вертикальной и горизонтальных поляризациях. В общем случае, возбуждение данного типа волн сводится к применению для запитки излучателя специальной системы возбуждения:

- либо, как в [3, фиг.5], с помощью совмещенных в центральной точке запитки штыря и магнитного диполя, запитываемых с помощью делителя СВЧ;

- либо, как в [3, фиг.3], с помощью совмещенных в центральной точке запитки штыря и спирального витка;

- либо, как в [3, фиг.4], с помощью совмещенных в центральной точке запитки последовательно включенных штыря и магнитного диполя.

Таким образом, использование в [3, фиг.5] и [3, фиг.4] решений, аналогичных [1, с.213, рис.5.15], а в [3, фиг.3] спирального витка, представляющим собой спиральную антенну с малым диаметром витка, эффективная ширина рабочей полосы которого составляет не более 70%, ограничивает рабочую частоту излучателя.

Кроме того, использование делителя СВЧ и совмещение двух излучателей в месте запитки приводит к повышенному взаимовлиянию излучателей и снижению КНД устройства.

Общим недостатком технических решений, приведенных в [3], является отсутствие сведений и результатов технической реализации. Также не приведены конструктивные сведения о действующих геометрических размерах как самого излучателя, так и запитки, отсутствует информация о ширине рабочей полосы предложенной конструкции.

Поляризатор волн проходного типа на основе анизотропной среды из плоских параллельных пластин [4, с.130, рис.3-4, а] с расстоянием между пластинами a, большим половины длины волны. При помещении поляризатора в раскрыв антенны линейной поляризации в зависимости от угла наклона пластин поляризатора к вектору Е, толщины поляризатора и разницы фазовых скоростей волн ТЕМ и H₁ для определенной частоты, можно получить линейно поляризованную волну любой ориентации. Недостатком данного технического решения является узкополосность, определяемая частотной зависимостью фазовой скорости волны H₁.

Задачей изобретения является построение сверхширокополосной всенаправленной антенны для работы на двух ортогональных поляризациях ВП и ГП.

Решение этой задачи достигается за счет широкополосной соосной запитки, а работа на отличных от вертикальной поляризациях - за счет конструкции излучателя.

Изобретение относится к области радиотехники сантиметрового диапазона длин волн и позволяет придать биконическому излучателю дополнительные полезные радиотехнические свойства - возможность работы на наклонной и горизонтальной поляризации.

Устройство представляет собой биконический излучатель, образованный конусами 1 и 2, с помещенной в его раскрыв периодической структурой анизотропной среды - поляризационным фильтром 3. Запитка антенны осуществляется с помощью коаксиального фидера 4 через соосный конструкции возбуждающий штырь 5. Поляризационный фильтр 3 представляет собой соосную с запиткой симметричную конструкцию из трапециевидных металлических пластин 6. Пластины 6 ориентированы таким образом, что плоскость, в которой находится каждая пластина, проходит через геометрический центр 8 биконического излучателя и наклонена под определенным углом в диапазоне 40°…50° к плоскости 7, перпендикулярной оси антенны и проходящей через 8 (фиг.1).

Геометрические размеры биконического излучателя для диапазона длин волн [λ_min; λ_max]: α≈30°±5°; R≥λ_max; l≤2λ_min; a=λ_min/2. Толщина пластин 6 - не более λ_min/60, где λ_min, λ_max - минимальная и максимальная длина волны рабочего диапазона частот; l - толщина поляризационного фильтра; α - угол наклона пластин; R - радиус основания конусов.

Ширина l поляризационного фильтра 3 имеет периодический характер и изменяется в пределах от λ_min/2 до 2λ_min по периодическому закону, близкому к гармоническому, что позволяет понизить КСВН излучателя и расширить полосу рабочих частот.

Угол наклона пластин 6 имеет периодический характер, изменяясь от 40° до 50° по закону, близкому к гармоническому, что позволяет дополнительно понизить КСВН, расширить полосу рабочих частот и существенно снизить искажения ДН.

Прототип

Ближайший аналог изобретения биконический рупорный излучатель [1], с.11, рис.1.2 Д].

Принцип работы

Возбуждаемая штырем 5 волна типа ТЕМ падает на анизотропную среду 3. Параметры анизотропной среды 3 выбраны таким образом, чтобы создать условия для распространения ТЕМ волны с вектором Е, перпендикулярным плоскости пластин. Другие типы волн или затухают в анизотропной среде 3, или переотражаясь, затухают внутри излучателя. Таким образом, излученная в открытое пространство волна имеет наклонную поляризацию вектора Е, и излучатель может работать на двух ортогональных поляризациях - горизонтальной и вертикальной.

Практические результаты: полоса рабочих частот более 100%.

Литература

1. Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот. - М.: Сов. радио, 1957. - 647 с. с ил.

2. Дорохов А.П. Расчет и конструирование антенно-фидерных устройств. - Харьков: Издательство Харьковского государственного университета им. А.М. Горького, 1960. - 450 с. с ил.

3. Stephen E. Lipsky. Polarized feed apparatus for biconical antennas. - Patent US 3829863. - 12.03.1973.

4. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: Энергия, 1973. - 440 с. с ил.

1. Биконический излучатель, состоящий из двух конусов, запитываемый с помощью коаксиального фидера через соосный конструкции возбуждающий штырь, характеризующийся тем, что в раскрыв рупора биконического излучателя внесена периодическая структура анизотропной среды - поляризационный фильтр, который представляет собой соосную с запиткой симметричную конструкцию из трапециевидных металлических пластин, ориентированных таким образом, что плоскость, в которой находится каждая пластина, проходит через геометрический центр биконического излучателя и наклонена под определенным углом в диапазоне 40°…50° к плоскости, перпендикулярной оси антенны и проходящей через геометрический центр биконического излучателя.

2. Биконический излучатель по п.1, характеризующийся тем, что толщина фильтра имеет периодический характер и изменяется в пределах от λ_min/2 до 2λ_min по периодическому закону, близкому к гармоническому.