Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: антенная техника, в частности многозеркальные антенны СВЧ-диапазона. Сущность изобретения: рупор снабжен насадкой в форме отрезка цилиндра с четвертьволновыми канавками на внутренней поверхности. Канавки могут быть соосны или в форме многозаходной спирали. Их размеры и число выбраны из представленных соотношений. Может быть введена вторая насадка в форме усеченного конуса. 3 з. п. ф-лы, 8 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2012962
Класс(ы) патента: H01Q13/00
Номер заявки: 5051623/09
Дата подачи заявки: 20.05.1992
Дата публикации: 15.05.1994
Заявитель(и): Ерухимович Юрий Абрамович
Автор(ы): Ерухимович Юрий Абрамович
Патентообладатель(и): Ерухимович Юрий Абрамович
Описание изобретения: Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано самостоятельно либо в многозеркальных антеннах СВЧ-диапазона в качестве первичного излучателя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, в котором собственно рупорная часть дополнена насадкой импедансного типа с прорезанными на ее стенках четвертьволновыми канавками. Насадка является вырезкой из конической поверхности и электрически соединена с рупорной частью. Ее цель - повысить степень симметрии в широкоугольной ДН рупорного излучателя и снизить уровень дальных боковых лепестков.
Оптимальный угол раствора конической насадки αH выбран в соответствии с соотношением αН≈ α2+ 45о, где α2- угол раствора расфазированной части рупора с изломом. Вообще же можно брать α2<α>H<α>2+90о. ДН такого рупора весьма осесимметрична, а габариты невелики (3-4λ ).
Однако, его недостатком является сильная зависимость положения фазового центра (ФЦ) lф рупора от расстояния до точки наблюдения, причем насадка на положение ФЦ не влияет. Число четвертьволновых канавок равно восьми. При установке такого рупора в антенну типа АДЕ коэффициент использования настроенной антенны меняется в интервале значений 0,6. . . 0,65, тогда как его расчетное теоретическое значение равно 0,9. Анализ фазовых ошибок в антенне показывает, что в центре антенны ошибки могут доходить до 180о. Это приводит к существенному росту эффективного затенения и падению коэффициента использования.
Цель изобретения - формирование широкоугольной осесимметричной формы диаграммы направленности с большой крутизной скатов, получение независимого от расстояния положения фазового центра и минимизация габаритов РИ.
Это достигается тем, что собственно рупор дополняется электрически соединенной с ним насадкой импедансного типа с четвертьволновыми канавками на стенках, причем насадка выполнена в виде отрезка цилиндра с диаметром излучающего раскрыва, равным 2,0λ , а общее число канавок не менее восьми.
Если рупор с размерами излучающей апертуры 2,0λ , создающий примерно осесимметричное распределение в раскрыве, плавно сопрягается с насадкой в виде отрезка гофрированного волновода, в котором распространяется первая гибридная мода с практически осесимметричным и синфазным распределением, то при достаточной длине насадки поле в излучающем раскрыве РИ оказывается близким к полю в бесконечном волноводе с четвертьволновыми канавками на стенках, т. е. осесимметричным и синфазным. При указанной геометрии насадки излученное поле, начиная с расстояния большихλ, оказывается достаточно широкоугольным, весьма осесимметричным с крутыми скатами, а положение его фазового центра практически не зависит от расстояния до точки наблюдения, что подтверждено экспериментально.
На фиг. 1 изображена конструктивная схема предлагаемого излучателя по пп. 1 и 2, в произвольном центральном сечении; на фиг. 2 - то же, по пп. 1 и 3, в центральном сечении; на фиг. 3 - то же, по пп. 1-4, внешний вид; на фиг. 4 - амплитудные и фазовые распределения на разных расстояниях для излучателя по п. 2 (рупор обычный синфазный с гладкими стенками, насадка с кольцевыми канавками); на фиг. 5 - амплитудные и фазовые распределения для излучателя по п. 2 (рупор с изломом расфазированный с гладкими стенками, насадка с кольцевыми канавками); на фиг. 6 - то же (питающая рупорная часть: открытый конец прямоугольного волновода с круглым фланцем, насадка с кольцевыми канавками); на фиг. 7 - амплитудные и фазовые распределения для излучателя по п. 3 (рупор обычный синфазный с гладными стенками, цилиндрическая насадка с двухзаходной спиральной четвертьволновой канавкой); на фиг. 8 - то же, (рупор с изломом с гладными стенками, насадка цилиндрическая с двухзаходной спиральной четвертьволновой канавкой).
Рупорный излучатель (фиг. 1) содержит собственно рупорную часть 1 в виде, например, конического рупора и электрически соединенную с ним по линии аa' насадку 2 импедансного типа с системой четвертьволновых канавок 3.
Насадка 2 выполнена в виде отрезка цилиндра с внутренним диаметром 2ro = 2λ, при этом ширина каждой канавки равна S ≃ расстояние по металлу между двумя соседними канавками равно t ≃ , а общее число канавок в каждом центральном сечении взято не менее восьми. При этом канавки в насадке выполнены концентрическими кольцевыми.
Рупорный излучатель (фиг. 2) содержит собственно рупорную часть 1 в виде, например, конического расфазированного рупора с изломом с гладкими стенками и электрически соединенную с ним по линии аа' насадку 2 импедансного типа с системой четвертьволновых канавок 3. При этом в насадке 2 канавки выполнены в виде n-заходной спирали (n= 1,2, . . . , h) с шагом каждой спирали, равным и сдвигом начальных точек каждой ветви спирали на (n = 2; 3, . . . , ) между собой. При таком построении все канавки верхнего сечения, помеченные значком "х" оказываются сдвинутыми на λ/4 относительно канавок в нижнем сечении, помеченных значком "0".
Рупорный излучатель (фиг. 3) содержит собственно рупорную часть 1 в виде, например, пирамидального рупора с плоским круглым фланцем и электрически соединенную с ним по поверхности фланца насадку 2 импедансного типа с системой четвертьволновых канавок 3. Кроме того, насадка 2 дополнена электрически соединенной с ней конической рупорной частью 4 с гладкими стенками с половиной угла раствора α2 30÷40°.
Излучатель работает следующим образом. В бесконечном цилиндрическом волноводе с четвертьволновыми канавками на стенках при условиях 2ro = 2λ ; 2r1= 2λ + ; t ; S может существовать гибридная мода с характеристиками: затуханием β, в несколько раз меньшем чем для волны Н11, в круглом волноводе с гладкими стенками и с практически осесимметричным и синфазным распределением в каждом поперечном сечении. Такое положение сохраняется в частотном диапазоне с перекрытием 1,6: 1.
Для того, чтобы эту моду в достаточно чистом виде возбудить в конечном отрезке такого волновода необходимо подать на вход волновода в сечении аа' волну с близким к осесимметричному распределением и ограничить отрезок волновода минимально возможной длиной (соответственно с минимальным числом канавок), при которой эта мода распространяется и затем излучается.
Указанные условия могут быть определены только экспериментально.
В соответствии со сказанным рупорная часть 1 спроектирована на получение в плоскости раскрыва с диаметром 2ro = 2λ почти осесимметричного распределения. Для обычного рупора с гладкими стенками, питаемого круглым волноводом, условие это соответствует собственной расфазировке рупора γo= ·tgα2≃ π , т. е. α2 ≈45о.
Для рупора с изломом, питаемого круглым волноводом, также условия получаются при dи = 2rр = 1,3 λ, dp = 2rp = 2λ, α1= 11o и α2 ≈20-60o.
Для пирамидального рупора такие условия соответствуют примерно соотношению широкой и узкой стенок как 3: 2.
Рупорная часть может быть использована любого типа: на базе синфазных, конических, пирамидальных и т. д. рупоров, необходимо лишь, чтобы осевая симметрия в ее раскрытие выдерживалась хотя бы приблизительно. Более важно то, что на длине отрезка гофрированного волновода должно находиться не менее восьми канавок в каждом центральном сечении, так как только в этом случае необходимая мода эффективно возбуждается и излучается в свободное пространство.
Излучатель (фиг. 1) работает следующим образом.
В рупорной части 1, питаемой круглым волноводом по волне Н11, возникает сферическая волна с почти осесимметричным распределением амплитуд в плоскости раскрыва аа' и центром в вершине прилегающего расфазированного или ему подобного рупора. Расфазированный рупор в качестве части 1 РИ взят в качестве одного из возможных примеров. Волна типа Н11 переходит в насадку с малыми отражениями, возбуждая в ней сопряженную с Н11 низшую гибридную моду с соответствующим осесимметричным и синфазным распределением. Эта волна доходит до раскрыва Q насадки и излучается в свободное пространство. Характеристики излученной волны определяются полем в излучающем раскрыве Q, который в соответствии с Т, оказывается почти равномерно и синфазно возбужденным. Как видно экспериментально получено 2Θ0,5≈40о, что соответствует близкому к равномерному распределению вида = - где ρ - радиальная координата в излучающем раскрыве, 0≅ρ≅λ. Для столь малого раскрыва расстояние, начиная с которого излученная волна становится сферической, меньше 2ro, считая от плоскости раскрыва РИ. Однако, положение фазового центра lф для этой волны, не зависящее от расстояния lR, различно для разных рупорных частей. Оно меняется от lф = 0 для насадки с кольцевыми канавками до lф - для насадки со спиральными канавками.
Показанные на фиг. 4 экспериментально полученные амплитудные и фазовые распределения соответствуют слабо расфазированному рупору с углом раствора 3,5о и длиной 220 мм (рупорная часть 1). Измерения выполняются на четырех расстояниях lR= 50; 100; 200 и 400 мм при λ= 26,8 мм, т. е. как в ближней, так и в дальней зонах поля излучения РИ. Для всех расстояний положение фазового центра одно и тоже: он расположен в плоскости излучающего раскрыва Q. Форма ДН с расстоянием не меняется. ДН в плоскости Н уже, чем в плоскости Е.
На фиг. 5 показаны результаты аналогичных измерений, когда в качестве рупорной части 1 использован рупор с изломов с параметрами α1= 11о; α2= 25о, dи = 32 мм и dp = 54 мм. Такой рупор обеспечивает существенно большую степень симметрии в плоскости раскрыва, чем для предшествующего случая. Соответственно и результаты измерений оказываются лучше: увеличивается степень симметрии между плоскостями Е и Н поля и возрастает крутизна скатов. Положение фазового центра остается тем- же - в плоскости излучающего раскрыва Q. Таким образом, результаты излучений подтвердают наличие ожидаемых положительных эффектов в предлагаемом РИ. При этом, чем симметричное поле в раскрыве, тем более четко выражен положительный эффект.
На графиках фиг. 6 представлены результаты измерений РИ в том случае, когда требования, предъявляемые к полю в раскрыве рупорной части 1, заведомо плохо выполняются. Эксперимент выполнен для выяснения стабильности работы устройства. В качестве рупорной части 1 используется открытый конец прямоугольного волновода с размерами 5,5 х 19 мм на той же длине волны, λ= 26,8 мм, f = 11,2 ГГц с круглым фланцем до диаметра 2 ro. В этом случае фазовый центр углубляется на расстояние 55 мм внутрь насадки, а поле в ближней зоне теряет регулярный характер. Однако, начиная с расстояния lR = 100 мм (≈ 4λ ) ДН оказывается весьма симметричными, с крутыми скатами, причем главный лепесток сужается по уровню - 10 дБ до ±(22-25)о: фазовые распределения в этом секторе углов вполне приемлемы. Это свидетельствует о большей синфазности поля в раскрыве Q и о меньшем уровне возбуждающего раскрыв поля. Такой результат объясняется тем, что насадка возбуждается полем волны Н10 с большей линейностью по поляризации, чем для волны Н11 и с меньшим уровнем возбуждения кромки. Таким образом, положительный эффект отмечен и в случае достаточно сильных отступлений питающей рупорной части 1 от сформулированных оптимальных требований. При этом в ближней зоне эффекта нет, а фазовый центр сильно углубляется внутрь насадки.
Излучатель (фиг. 2) работает следующим образом.
В качестве примера выполнения рупорной части 1 на фиг. 2 показан расфазированный конический рупор с изломов образующей, питаемый волной типа Н11. Такой рупор при геометрии обеспечивает достаточно симметричное распределение амплитуд поля в раскрыве. Это поле в плоскости аа' сопрягается с возбужденным им полем в насадке 2. Как следует из геометрии, задачи при n-заходной спирали и выбранном шаге каждой ее ветви в любом центральном сечении число четвертьволновых канавок и расстояние между ними сохраняются неизменными и заданными. Поэтому в отрезке волновода возникает желаемая мода. Учитывая, что в каждом сечении системы противолежащих канавок сдвинуты на λ/4 , отраженные от канавок и плоскости раскрыва волны возвращаются в рупор в противофазе, т. е. взаимно компенсируются. Это ведет к улучшению согласования РИ с питающим волноводом. Излученные каждой парой противолежащих точек дифракционные волны сдвинуты на 90о между собой, причем эта расфазировка сохраняется для всех точек окружности S излучающего раскрыва (фиг. 3) и нарастает с движением точек вдоль окружности S. Сложение расфазированных вдоль кромки полей приводит к уменьшению уровня бокового излучения, связанной с дифракционными волнами кромки. Поэтому крутизна скатов в измеренной ДН (на фиг. 7 и 8) больше, чем для РИ на фиг. 4 и 5 соответственно. Особенно крутыми скаты ДН оказываются для случая рупорной части 1 в виде рупора с изломом, как это видно из кривых фиг. 8. Кривые амплитудных и фазовых распределений, показанные на фиг. 7 и 8, измерены на разных расстояниях от плоскости раскрыва при одном и том же положении фазового центра lф = 16 мм, (т. е. ≈ ) на расстояниях l R= 50; 100 и 200 мм. Амплитудные распределения практически одинаковы по плоскостям Е и Н поля, причем форма ДН не меняется с расстоянием. Фазовые ошибки в пределах сектора ±30о весьма малы. Измеренные ДН оказываются широкоугольными, по уровню - 10 дБ соответствующим значениям угловΘ ≈±30о. Такие распределения со стабильным даже в ближней зоне положениям фазового центра весьма благоприятны для ДЗА с малыми электрическими размерами, когда диаметр малого зеркала порядка 3-. . . 4 длин волн.
Таким образом, теоретическое объяснение работы РИ и экспериментальные результаты находятся в полном согласии друг с другом. Они показывают, что предложенный РИ обеспечивает достижение поставленных целей изобретения.
Излучатель (фиг. 3) до плоскости излучающего раскрыва Q насадки работает аналогично описанным случаям в зависимости от вида рупорной части 1 и характера выполнения насадки (концентрические или спиральные канавки). Добавление конической насадки 4 превращает РИ по характеру излучения в известный рупор с изломом, в сечении Q которого формируется синфазное поле. Дополнительная коническая рупорная часть 4 выполнена с углом α2, соответствующим углуΘ в излученном поле РИ по пп. 1, 2 и 3, отвечающим уровням - (8. . . 10)дБ (см. распределения на фиг. 4. . . 8). При таком выборе угла α2 ДН в поле излучения РИ наиболее осесимметричны и круты, а положение фазового центра стабильно. Габариты такого рупора превосходят габариты РИ по пп. 1. . . 3. Соответствующий РИ может использоваться как самостоятельная антенная система.
На основе описанного технического решения могут быть сконструированы рупорные излучатели, эффективно решающие задачи создания ДЗА симметричного или несимметричного типов малых электрических размеров с высоким КИП и низким уровнем боковых лепестков. Естественно, что предложенные РИ будут столь же эффективны и для ДЗА с большими электрическими размерами при большей технологичности и меньших габаритах, чем известные.
Конструкция излучателя обладает необходимой простотой и технологичностью. (56) Труды НИИР, 1990, N 3, с. 21-24.
Формула изобретения: 1. РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ, содержащий рупор и установленную соосно с ним на его раскрыве и электрически соединенную с ним насадку, на внутренней поверхности которой выполнены четвертьволновые канавки, отличающийся тем, что насадка выполнена в виде отрезка цилиндра с внутренним диаметром 2ro = 2λ где λ - рабочая длина волны, при этом ширина каждой канавки S ≈ 2 λ / 15 , расстояние между соседними канавками вдоль поверхности d ≈ λ / 15 , а общее число канавок в каждом центральном сечении составляет не менее восьми.
2. Излучатель по п. 1, отличающийся тем, что четвертьволновые канавки выполнены соосными.
3. Излучатель по п. 1, отличающийся тем, что четвертьволновые канавки выполнены в форме n-заходной спирали, где n = 1, 2 . . . , с шагом каждой спирали, равным n λ / 2 , и относительным сдвигом начальных точек заходов спирали, равным π / K , где K = 2, 3 . . .
4. Излучатель по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что введена дополнительная насадка, выполненная в форме усеченного конуса, у которого половина угла раскрыва α/2 30-40° и внутренний диаметр меньшего основания равен 2r0, установленная соосно на раскрыве насадки и электрически соединенная с ней.