Невыступающая волноводная антенна вертикальной поляризации

Изобретение относится к области антенной техники, в частности к слабонаправленным осесимметричным антеннам вертикальной поляризации, используемым в качестве приемных/передающих антенн на летательных аппаратах. Представленная антенна содержит круглый волновод, обеспечивающий вертикальную поляризацию с помощью оригинальной схемы возбуждения единственной моды Е₀₁; металлический корпус, имеющий 3 ступени с различными значениями диаметров и высот, пропорциональными значениям длин волн рабочего диапазона; металлический стержень, имеющий 2 цилиндрических участка и конический участок, размеры которых являются пропорциональными значениям длин волн рабочего диапазона; а также торцевой диск и металлическую насадку, размеры которых являются пропорциональными значениям длин волн рабочего диапазона. При этом величины диаметров D₁, D₂, d₁, d₂ получают как расчетные параметры двухступенчатого чебышевского согласующего трансформатора. Полоса рабочих частот составляет ±20% от центральной частоты рабочего диапазона. Технический результат заключается в обеспечении создания невыступающей волноводной антенны вертикальной поляризации с диаграммой направленности, близкой к диаграмме направленности вертикального вибратора и высокого качества согласования. 7 ил.

 

Изобретение относится к области антенной техники, в частности к слабонаправленным осесимметричным антеннам вертикальной поляризации, и может быть использовано в качестве приемной/передающей антенны на летательных аппаратах.

Известными слабонаправленными осесимметричными антеннами вертикальной поляризации являются вертикальные вибраторы, устанавливаемые над проводящей поверхностью [1], [2]. Известные антенны формируют осесимметричные диаграммы направленности (ДН) в широкой полосе частот. Недостатком известных выступающих над проводящей поверхностью антенн является невозможность их использования на скоростных летательных аппаратах.

Известна волноводная антенна [3], наиболее близкая по своей технической сущности к патентуемому изобретению и выбранная в качестве прототипа. Известная волноводная антенна содержит круглый волновод, металлический экран и формирует осевую ДН с эллиптической поляризацией поля. К недостаткам известной волноводной антенны относится то, что она не формирует осесимметричную ДН с вертикальной поляризацией электромагнитного поля.

Технический результат, который достигается патентуемым изобретением - обеспечивается создание широкополосных невыступающих волноводных антенн вертикальной поляризации с ДН близкой к ДН вертикального вибратора и высоким качеством согласования.

Сущность патентуемого изобретения поясняется описанием, чертежами и рисунками, на которых представлены:

Фиг. 1. Невыступающая волноводная антенна вертикальной поляризации.

Фиг. 2. Корпус.

Фиг. 3. Стержень.

Фиг. 4. Насадка.

Фиг. 5. Диаграмма направленности невыступающей волноводной антенны вертикальной поляризации.

Фиг. 6. Диаграмма направленности вертикального четвертьволнового вибратора.

Фиг. 7. КСВ невыступающей волноводной антенны вертикальной поляризации в рабочем диапазоне частот.

Как видно из фиг. 1 в состав невыступающей волноводной антенны вертикальной поляризации входят металлические корпус 1, стержень 2, насадка 3.

Патентуемая антенна предназначена для подключения к коаксиальному кабелю.

Корпус 1 (см. фиг. 2) имеет три ступени - первую ступень с внутренним диаметром D₁ и высотой Н₁ вторую ступень с внутренним диаметром D₂ и высотой Н₂ и третью ступень с внутренним диаметром D₃, внешним диаметром D₄ и высотой Н₃.

Стержень 2 (см. фиг. 3) содержит цилиндрический участок с диаметром d₂ и длиной h₂ цилиндрический участок с диаметром d₂ и длиной h₂, конический участок с диаметром малого основания конуса d₂, диаметром большого основания конуса d₃ и длиной h₃ и торцевой диск диаметром d₄ и толщиной h₄.

Насадка 3 (см. фиг. 4) имеет цилиндрическую часть с внутренним диаметром D₆, и глубиной Н₄ и дно с отверстием диаметра D₅.

Вертикальную поляризацию в излучаемом антенной электромагнитном поле обеспечивают возбуждением в третьей ступени корпуса 1 единственного типа волны - волны типа Е₀₁.

Величину диаметра D₃ выбирают из условия 0,77λ_макс<D₃<0,97λ_мин, где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона, λ_мин - минимальная длина волны рабочего диапазона. Выполнение этого условия дает возможность существовать в третьей ступени корпуса 1 волнам типа E₀₁.

В качестве возбудителя волны E₀₁ используют конический участок стержня 2, с диаметром малого основания конуса d₂, диаметром большого основания конуса d₃ и длиной h₃ и торцевой диск стержня 2 диаметром d₄ и толщиной h₄ (см. фиг. 1, фиг. 3).

Согласование патентуемой антенны обеспечивают (см. фиг. 1) с помощью насадки 3 и коаксиального узла, который состоит из первой ступени корпуса 1 и цилиндрического участка стержня 2 с диаметром d₁ и длиной h₁ и второй ступени корпуса 1 и цилиндрического участка стержня 2 с диаметром d₂ и длиной h₂. Коаксиальный узел выполняет функцию двухступенчатого чебышевского согласующего трансформатора. Насадку 3 используют для дополнительного повышения качества согласования.

Стержень 2 располагают соосно с корпусом 1 (см. фиг. 1).

Размеры высоты Н₁ высоты Н₂, глубины Н₄, длины h₁, длины h₂, длины h₃, диаметра d₃ выбирают равными 0,25λ_ср, где - средняя длина волны рабочего диапазона.

Диаметр торцевого диска d₄ выбирают равным d₄=0,7λ_cp, а толщину h₄ выбирают равной h₄=(1÷3)мм.

Высоту Н₃ выбирают из условия Н₃≥0,75λ_ср.

На третьей ступени корпуса 1 (см. фиг.1) устанавливают насадку 3 так, чтобы расстояние Н₅ от плоскости торца цилиндрической части насадки 3 до плоскости торца корпуса 1 составляло величину Н₅=0,125λ_ср, обеспечивая электрический контакт отверстия в дне насадки 3 с внешней поверхностью третьей ступени корпуса 1. Величину диаметра D₄ выбирают из конструктивных соображений.

Величины D₁, D₂, d₁, d₂ получают как расчетные параметры двухступенчатого чебышевского согласующего трансформатора, при которых обеспечивается согласование коаксиального кабеля с круглым волноводом. Функцию двухступенчатого чебышевского согласующего трансформатора выполняет коаксиальный узел, функцию круглого волновода выполняет третья ступень корпуса 1.

С использованием патентуемого изобретения была разработана невыступающая волноводная антенна с входным сопротивлением 50 Ом для рабочего диапазона частот 2000-3000 МГц. Экспериментально установлено, что указанная антенна создает электромагнитное поле вертикальной поляризации, ее ДН (см. фиг. 5) аналогична ДН вертикального вибратора (см. фиг. 6), а КСВ не превышает величины 1,8 в полосе ±20% от центральной частоты рабочего диапазона (см. фиг. 7).

Таким образом, показано, что благодаря предложенной совокупности признаков, патентуемое изобретение обеспечивает заявленный технический результат - позволяет создавать широкополосные невыступающие волноводные антенны вертикальной поляризации с ДН близкой к ДН вертикального вибратора и высоким качеством согласования.

Литература.

1. Г.З. Айзенберг, С.П. Белоусов и др. Коротковолновые антенны. - М.; Радио и связь, 1985: раздел 11.5, с. 212-223

2. Волноводная антенна, Патент РФ №2565352, 22.07.2014 г.

Невыступающая волноводная антенна вертикальной поляризации, содержащая круглый волновод, отличающаяся тем, что в ее состав включают металлический корпус, имеющий первую ступень с внутренним диаметром D₁ и высотой H₁=0,25λ_cp, где λ_ср - средняя длина волны рабочего диапазона, вторую ступень с внутренним диаметром D₂ и высотой Н₂=0,25λ_ср и третью ступень с внутренним диаметром D₃, величину которого выбирают из условия 0,77λ_макс<D₃<0,97λ_мин, где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона, λ_мин - минимальная длина волны рабочего диапазона, и высотой Н₃, величину которой выбирают из условия Н₃≥0,75λ_ср, металлический стержень, состоящий из цилиндрического участка с диаметром d₁ и длиной h₁=0,25λ_cp, цилиндрического участка с диаметром d₂ и длиной h₂=0,25λ_cp, конического участка с диаметром малого основания конуса, равным d₂, с диаметром большого основания конуса d₃=0,25λ_cp и длиной h₃=0,25λ_ср, торцевого диска диаметром d₄=0,7λ_cp и толщиной h₄=(1÷3)мм, металлическую насадку с цилиндрической частью внутренним диаметром D₆, величину которого выбирают из условия D₆-D₄=(5÷15)мм, и глубиной Н₄=0,25λ_ср, отверстием в дне с диаметром D₅=D₄, величины диаметров D₁, D₂, d₁, d₂ получают как расчетные параметры двухступенчатого чебышевского согласующего трансформатора, при которых обеспечивается согласование антенны, стержень располагают соосно с корпусом, на третьей ступени корпуса устанавливают насадку так, чтобы расстояние Н₅ от плоскости торца цилиндрической части насадки до плоскости торца корпуса составляло величину Н₅=0,125λ_ср и чтобы был обеспечен электрический контакт дна насадки с внешней поверхностью третьей ступени корпуса.