RU147706U1

RU147706U1 - WAVE ANTENNA WITH AN INCLINED POLARIZATION AND SECTOR DIAGRAM WIDTH 180 °

Info

Publication number: RU147706U1
Application number: RU2014100112/08U
Authority: RU
Inventors: Алексей Михайлович Горин; Наталья Александровна Радченко
Original assignee: Открытое акционерное общество "Таганрогский научно-исследовательский институт связи" (ОАО "ТНИИС")
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2014-11-20

Abstract

Волноводная антенна с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180°, содержащая регулярный отрезок волновода прямоугольного сечения размерами а×b с фланцами крепления к прибору и к линии передачи, отличающаяся тем, что регулярный отрезок прямоугольного волновода развернут вокруг продольной оси на угол 45° к плоскости горизонта, на конце открытого конца волновода на фланец крепления волноводной антенны к прибору установлен диэлектрический излучатель, выполненный из диэлектрического материала с малыми потерями, длиной А=2,29 λ, шириной В=1,04 λ, высотой С=0,75 λ, высотой диэлектрического излучателя в центральной части D=0,35 λ, глубиной диэлектрического излучателя l=0,87 λв волноводе, расстоянием между выступами с=0,43 λ, длиной узкой части выступа d=0,52 λ, шириной выступа h=0,62 λ, на краях выступы скошены на расстоянии s=0,09 λпод углом 45°, излучатель снабжен двумя элементами крепления излучателя в виде металлических шпилек диаметром m=0,13 λ, расположенных на оси раскрыва излучателя на расстоянии k=0,78 λот центра.An oblique polarized waveguide antenna with a 180 ° wide sector diagram containing a regular a × b rectangular section of a waveguide with mounting flanges to the device and to the transmission line, characterized in that the regular segment of a rectangular waveguide is rotated around the longitudinal axis at an angle of 45 ° to the plane horizon, at the end of the open end of the waveguide, a dielectric radiator made of dielectric material with low losses, length A = 2.29, is installed on the flange of the mounting of the waveguide antenna to the device , width B = 1.04 λ, height C = 0.75 λ, height of the dielectric emitter in the central part D = 0.35 λ, depth of the dielectric emitter l = 0.87 λ in the waveguide, distance between protrusions c = 0.43 λ , the length of the narrow part of the protrusion d = 0.52 λ, the width of the protrusion h = 0.62 λ, at the edges of the protrusions are beveled at a distance s = 0.09 λ at an angle of 45 °, the emitter is equipped with two fastening elements of the emitter in the form of metal studs with diameter m = 0.13 λ located on the axis of the aperture of the emitter at a distance k = 0.78 λ from the center.

Description

Предлагаемая волноводная антенна с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180° относится к области антенной техники и может быть использована для приема линейно и эллиптически поляризованных электромагнитных волн, используется в системах радиотехнического наблюдения и контроля электромагнитного излучения в широком секторе углов.The proposed waveguide antenna with an oblique polarization and a sector diagram 180 ° wide relates to the field of antenna technology and can be used to receive linearly and elliptically polarized electromagnetic waves, and is used in systems for electronic monitoring and control of electromagnetic radiation in a wide sector of angles.

В качестве антенн с широкой диаграммой удобно использовать биконические (на сектор 360° с вертикальной поляризацией) [Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов связи. - М., «Связь». - 1977. - 440 с.] или волноводные антенны (на сектор 180° с вертикальной поляризацией) [Устройство обнаружения вторжения и антенна к нему. Патент США, кл. 340/552 (G08B 13/24), №4119951 от 10.10.78 г.].It is convenient to use biconical (wide sector 360 ° sector with vertical polarization) antennas with a wide pattern [Fradin A.Z. Antenna feeder devices. Textbook for communication universities. - M., “Communication”. - 1977. - 440 p.] Or waveguide antennas (180 ° sector with vertical polarization) [Intrusion detection device and antenna to it. U.S. Pat. 340/552 (G08B 13/24), No. 4119951 of 10/10/78].

Известны антенны [Рудольф Кюн. Микроволновые антенны. Перевод с нем. под ред. проф. М.П. Долуханова, стр. 227-228, рис. 5.23 и 239-240, рис. 5.31 а), в). Изд-во Судостроение, 1967 г.], на основе квадратного волновода с диэлектрическим излучателем. Антенна на основе квадратного волновода может использоваться как антенна двойной, так и наклонной поляризации. Для режима двух переключаемых поляризаций (вертикальной и горизонтальной) используется поляризационный делитель, а для наклонной - переход с квадратного сечения на прямоугольное, развернутое вокруг продольной оси на угол 45° к плоскости горизонта.Antennas are known [Rudolf Kuhn. Microwave antennas. Translation from it. under the editorship of prof. M.P. Dolukhanova, p. 227-228, fig. 5.23 and 239-240, fig. 5.31 a), c). Sudostroenie Publishing House, 1967], based on a square waveguide with a dielectric emitter. An antenna based on a square waveguide can be used as an antenna of double or inclined polarization. For the regime of two switchable polarizations (vertical and horizontal), a polarization divider is used, and for the inclined one, the transition from a square to a rectangular section, rotated around the longitudinal axis at an angle of 45 ° to the horizon plane.

Недостатком таких антенн является сложность и дороговизна изготовления. При применении антенн с переходом с квадратного сечения на прямоугольное, наклоненное на угол 45° по отношению к стенкам квадратного волновода в широком диапазоне частот ширина диаграммы направленности может уменьшаться до 50°.The disadvantage of such antennas is the complexity and high cost of manufacture. When using antennas with a transition from a square section to a rectangular one, inclined at an angle of 45 ° with respect to the walls of a square waveguide in a wide frequency range, the width of the radiation pattern can be reduced to 50 °.

В качестве прототипа, как наиболее близкого по схемотехническому построению заявляемой полезной модели, выбрана антенна по патенту США №4119951, которая выполнена в виде открытого конца отрезка регулярного волновода прямоугольного сечения с фланцем крепления к прибору, конец волновода обрезан с боковых сторон под углом 45° от узкой стенки к центру широкой стенки, где расположена рассеивающая пластина длиной около четверти длины волны, электрически соединенная с широкими стенками волновода. Антенна расположена горизонтально широкой стенкой волновода, поэтому она формирует секторную диаграмму шириной 180° в диапазоне частот с перекрытием 1,5:1 на уровне минус 10 дБ в горизонтальной плоскости только на вертикальной поляризации.As the prototype, as the closest to the circuit construction of the claimed utility model, the antenna is selected according to US patent No. 4119951, which is made in the form of the open end of a segment of a regular waveguide of rectangular cross section with a mounting flange to the device, the end of the waveguide is cut from the sides at an angle of 45 ° from narrow wall to the center of the wide wall, where the scattering plate is located about a quarter of the wavelength, electrically connected to the wide walls of the waveguide. The antenna is located horizontally with a wide wall of the waveguide, so it forms a sector diagram with a width of 180 ° in the frequency range with an overlap of 1.5: 1 at the level of minus 10 dB in the horizontal plane only on the vertical polarization.

Указанные антенны в неизменном виде не могут формировать широкие секторные диаграммы на требуемых видах поляризации в азимутальной плоскости при приеме эллиптически, горизонтально и вертикально поляризованных волн.These antennas cannot form wide sector diagrams on the required types of polarization in the azimuthal plane when receiving elliptically, horizontally and vertically polarized waves.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является построение волноводной антенны с шириной секторной диаграммы в азимутальной плоскости не менее 180°, а в угломестной плоскости не менее 50° в диапазоне частот с отношением, f_макс/f_мин≥1,5, где f_макс, f_мин - максимальная и минимальная рабочие частоты СВЧ колебаний, при приеме эллиптически, горизонтально и вертикально поляризованных волн с высокими прочностными характеристиками.The technical problem that the utility model aims to solve is to build a waveguide antenna with a sector diagram width of at least 180 ° in the azimuth plane and at least 50 ° in the elevation plane in the frequency range with the ratio, f _max / f _min ≥1.5, where f _max , f _min - the maximum and minimum operating frequencies of microwave oscillations when receiving elliptically, horizontally and vertically polarized waves with high strength characteristics.

Технический результат достигается тем, что в волноводной антенне с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180°, содержащей регулярный отрезок волновода прямоугольного сечения размерами a×b, развернутый вокруг продольной оси на угол 45° к плоскости горизонта с фланцами крепления к прибору и к линии передачи, на конце открытого конца волновода на фланец крепления волноводной антенны к прибору установлен диэлектрический излучатель, выполненный из диэлектрического материала с малыми потерями, длиной А=2,29 λ_макс, шириной В=1,04 λ_макс, высотой С=0,75 λ_макс, высотой диэлектрического излучателя в центральной части D=0,35 λ_макс глубиной диэлектрического излучателя l=0,87 λ_макс в волноводе, расстоянием между выступами с=0,43 λ_макс, длиной узкой части выступа d=0,52 λ_макс, шириной выступа h=0,62 λ_макс, на краях выступы скошены на расстоянии s=0,09 λ_макс под углом 45°. Излучатель снабжен двумя элементами крепления излучателя в виде металлических шпилек диаметром m=0,13 λ_макс, расположенных на оси раскрыва излучателя на расстоянии k=0,78 λ_макс от центра.The technical result is achieved in that in an oblique-polarized waveguide antenna and a 180 ° wide sector diagram containing a regular a × b rectangular waveguide segment, rotated around the longitudinal axis at an angle of 45 ° to the horizontal plane with mounting flanges to the device and to the transmission line , at the end of the open end of the waveguide, a dielectric emitter made of dielectric material with low losses, length A = 2.29 λ _max , width B = 1.04 λ is installed on the flange of the mounting of the waveguide antenna to the device _max , height C = 0.75 λ _max , height of the dielectric emitter in the central part D = 0.35 λ _max depth of the dielectric emitter l = 0.87 λ _max in the waveguide, the distance between the protrusions c = 0.43 λ _max , the length is narrow parts of the protrusion d = 0.52 λ _max , the width of the protrusion h = 0.62 λ _max , at the edges of the protrusions are beveled at a distance s = 0.09 λ _max at an angle of 45 °. The emitter is equipped with two emitter mounting elements in the form of metal studs with a diameter of m = 0.13 λ _max located on the axis of the emitter aperture at a distance k = 0.78 λ _max from the center.

Существенные признаки, отличающие заявленную волноводную антенну с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180° от прототипа, не поддаются самостоятельной квалификации, так как не отделяемы от целого объекта. Взаимное положение и размеры всех элементов, входящих в излучатель, рассчитаны и окончательно определены экспериментально и позволяют построить волноводную антенну с наклонной поляризацией, у которой в широком диапазоне частот ширина секторной диаграммы имеет значение не менее 180° при приеме эллиптически, горизонтально и вертикально поляризованных волн. В угломестной плоскости ширина диаграммы направленности не претерпевает изменений и имеет значение не менее 50°. Измеренное значение КСВН не более 2,5.The essential features that distinguish the claimed waveguide antenna with oblique polarization and a sector diagram 180 ° wide from the prototype cannot be self-qualified, since they cannot be separated from the whole object. The mutual position and sizes of all elements included in the emitter are calculated and finally determined experimentally and make it possible to construct a waveguide antenna with oblique polarization, in which in a wide frequency range the width of the sector diagram has a value of at least 180 ° when receiving elliptically, horizontally and vertically polarized waves. In the elevation plane, the width of the radiation pattern does not undergo changes and has a value of at least 50 °. The measured value of VSWR is not more than 2.5.

Сущность полезной модели поясняется рисунком, на Фиг. 1 которого приведен чертеж предлагаемой волноводной антенны с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180°, а на Фиг. 2 и Фиг. 3 приведены экспериментальные нормированные диаграммы по мощности в секторе азимутальных углов на нижней (f_н), средней (f_cp) и верхней (f_в) частотах рабочего диапазона частот на вертикальной (Фиг. 2) и горизонтальной (Фиг. 3) поляризациях.The essence of the utility model is illustrated by the figure, in FIG. 1 of which is a drawing of the proposed waveguide antenna with oblique polarization and a sector diagram 180 ° wide, and in FIG. 2 and FIG. Figure 3 shows the experimental normalized power diagrams in the azimuthal angle sector at the lower (f _n ), middle (f _cp ) and upper (f _c ) frequencies of the operating frequency range on the vertical (Fig. 2) and horizontal (Fig. 3) polarizations.

Чертеж предлагаемой волноводной антенны с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180° на Фиг. 1 содержит: 1 - диэлектрический излучатель; 2 - фланец крепления волноводной антенны к прибору; 3 - фланец крепления волноводной антенны к линии передачи; 4 - стандартный волновод прямоугольного сечения, развернутый вокруг продольной оси на угол 45°; 5 - металлические шпильки крепления диэлектрического излучателя к фланцу крепления волноводной антенны к прибору.The drawing of the proposed waveguide antenna with an inclined polarization and a sector diagram with a width of 180 ° in FIG. 1 contains: 1 - dielectric emitter; 2 - flange for mounting the waveguide antenna to the device; 3 - flange mounting the waveguide antenna to the transmission line; 4 - a standard waveguide of rectangular cross section, deployed around a longitudinal axis at an angle of 45 °; 5 - metal studs for attaching a dielectric emitter to a flange for attaching a waveguide antenna to the device.

Диэлектрический излучатель 1 имеет сложную форму, выполнен из диэлектрического материала с малыми потерями (например, из фторопласта ФАФ-4Д) длиной, равной А, шириной, равной В, высотой, равной С, высотой в центре, равной D, расстояние между выступами равно с, длина узкой части выступа равна d, ширина выступа равна h, на краях выступы скошены под углом 45° на расстоянии, равном s. Диэлектрический излучатель продолжен в стандартный волновод прямоугольного сечения 4 на глубину, равную l, и сужается в виде клина.The dielectric emitter 1 has a complex shape, made of low-loss dielectric material (for example, FAF-4D fluoroplastic) with a length equal to A, a width equal to B, a height equal to C, a height at the center equal to D, the distance between the protrusions is equal to , the length of the narrow part of the protrusion is d, the width of the protrusion is h, at the edges of the protrusions are beveled at an angle of 45 ° at a distance equal to s. The dielectric radiator is continued into a standard waveguide of rectangular cross section 4 to a depth equal to l, and narrows in the form of a wedge.

Фланец крепления волноводной антенны к прибору 2 и фланец крепления волноводной антенны к линии передачи 3 - металлические и крепятся на концах стандартного волновода прямоугольного сечения, развернутого вокруг продольной оси на угол 45° к плоскости горизонта 4 методом пайки.The flange for attaching the waveguide antenna to the device 2 and the flange for attaching the waveguide antenna to the transmission line 3 are metal and are mounted at the ends of a standard waveguide of rectangular cross section, rotated around the longitudinal axis at an angle of 45 ° to the horizon plane 4 by soldering.

Стандартный волновод прямоугольного сечения, развернутый вокруг продольной оси на угол 45° к плоскости горизонта 4 выполнен пустотелым, гладким, с сечением a×b, изготавливается из металла (например, из латуни).A standard waveguide of rectangular cross section, deployed around a longitudinal axis at an angle of 45 ° to the plane of horizon 4, is made hollow, smooth, with an a × b section, made of metal (for example, brass).

Диэлектрический излучатель 1 крепится к фланцу крепления волноводной антенны к прибору 2 клеем, наносимым на поверхность фланца в месте соединения его с диэлектрическим излучателем, а также, для повышения надежности крепления, металлическими шпильками 5 диаметром m, расположенными на оси раскрыва излучателя на расстоянии k от центра.The dielectric emitter 1 is attached to the flange of the waveguide antenna to the device 2 with adhesive applied to the surface of the flange at the junction with the dielectric emitter, and also, to increase the reliability of attachment, with metal studs 5 of diameter m located on the axis of the emitter aperture at a distance k from the center .

Волноводная антенна с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180° в режиме приема работает следующим образом: СВЧ сигнал возбуждает в волноводе 4, волну типа H₁₀. Поскольку волновод развернут вокруг продольной оси на угол 45° к плоскости горизонта, то обеспечивается прием эллиптически, горизонтально и вертикально поляризованных волн. За счет диэлектрического излучателя специальной формы, расширяющего диаграмму, осуществляется обзор пространства в секторе 180° в азимутальной плоскости.A waveguide antenna with an inclined polarization and a sector diagram 180 ° wide in the reception mode operates as follows: the microwave signal excites in waveguide 4 a wave of type H ₁₀ . Since the waveguide is rotated around the longitudinal axis at an angle of 45 ° to the horizontal plane, elliptically, horizontally and vertically polarized waves are received. Due to the dielectric emitter of a special form, expanding the diagram, a review of the space in the 180 ° sector in the azimuthal plane is carried out.

Экспериментально исследован макет заявляемого устройства с пересчетом заявленных размеров в длинах волн в геометрические размеры: А=26,4 мм, В=12 мм, С=8,7 мм, D=4 мм, l=10 мм, с=5 мм, d=6 мм, h=7,2 мм, s=1 мм, m=1,5 мм, k=9 мм. Размеры сечения прямоугольного волновода равны (а×b=7,2×3,4) мм. На Фиг. 2 и Фиг. 3 приведены экспериментальные нормированные диаграммы по мощности в секторе азимутальных углов на трех частотах рабочего диапазона на вертикальной и горизонтальной поляризациях, соответственно, из которых видно, что наряду с вертикальной поляризацией сигналов обеспечивается прием горизонтально поляризованных сигналов.Experimentally investigated the layout of the claimed device with the conversion of the declared dimensions in wavelengths into geometric dimensions: A = 26.4 mm, B = 12 mm, C = 8.7 mm, D = 4 mm, l = 10 mm, s = 5 mm, d = 6 mm, h = 7.2 mm, s = 1 mm, m = 1.5 mm, k = 9 mm. The cross-sectional dimensions of a rectangular waveguide are (a × b = 7.2 × 3.4) mm. In FIG. 2 and FIG. Figure 3 shows the experimental normalized power diagrams in the azimuthal angle sector at three frequencies of the operating range for vertical and horizontal polarizations, respectively, from which it can be seen that along with vertical polarization of the signals, horizontally polarized signals are received.

В диапазоне частот f_макс/f_мин≥1,5 волноводная антенна имела ширину секторной диаграммы не менее 180° на уровне не ниже минус 7,5 дБ в азимутальной плоскости при приеме горизонтально и вертикально поляризованных волн. Измеренное значение КСВН не более 2,5.In the frequency range f _max / f _min ≥1.5, the waveguide antenna had a sector diagram width of at least 180 ° at a level of at least minus 7.5 dB in the azimuthal plane when horizontally and vertically polarized waves were received. The measured value of VSWR is not more than 2.5.

Антенна по патенту США, обеспечивает прием сигналов только вертикальной поляризации с ослаблением на краях сектора 180° на 10 дБ.The antenna according to the US patent provides reception of signals of only vertical polarization with attenuation at the edges of the 180 ° sector by 10 dB.

Заявляемая модель является полезной и используется в разработках ОАО «ТНИИС».The inventive model is useful and is used in the development of JSC "TNIIS".

Заявляемая волноводная антенна с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180° конструктивно проста. В нее входят широко применяемые материалы, и она может быть изготовлена на любом среднетехническом предприятии. По сравнению с прототипом предлагаемая волноводная антенна с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180° имеет улучшенные технические и экономические показатели:The inventive waveguide antenna with an oblique polarization and a sector diagram with a width of 180 ° is structurally simple. It includes widely used materials, and it can be manufactured at any medium-technical enterprise. Compared with the prototype, the proposed waveguide antenna with oblique polarization and a sector diagram with a width of 180 ° has improved technical and economic indicators:

- обеспечивает прием сигналов эллиптически, горизонтально и вертикально поляризованных волн с меньшим ослаблением;- provides reception of signals of elliptically, horizontally and vertically polarized waves with less attenuation;

- простую конструкцию, меньшие габариты;- simple design, smaller dimensions;

- более низкую цену.- lower price.

Claims

An oblique polarized waveguide antenna with a 180 ° wide sector diagram containing a regular a × b rectangular section of a waveguide with mounting flanges to the device and to the transmission line, characterized in that the regular segment of a rectangular waveguide is rotated around the longitudinal axis at an angle of 45 ° to the plane horizon, at the end of the open end of the waveguide, a dielectric radiator made of dielectric material with low losses, length A = 2.29, is installed on the flange of the mounting of the waveguide antenna to the device _max, width B = 1,04 λ _max height C = 0,75 λ _max height of the dielectric radiator in the central part D = 0,35 λ _max depth dielectric radiator l = 0,87 λ _max in the waveguide, the distance between the projections c = 0.43 λ _max , the length of the narrow part of the protrusion d = 0.52 λ _max , the width of the protrusion h = 0.62 λ _max , the edges of the protrusions are beveled at a distance s = 0.09 λ _max at an angle of 45 °, the emitter is equipped with two fastening elements of the radiator in the form of metal studs with a diameter of m = 0.13 λ _max located on the axis of the aperture of the radiator at a distance k = 0.78 λ _max from the center.