RU142669U1 - Сверхширокополосный волноводно-рупорный излучатель - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области антенной техники и может быть использована в радиотехнических системах различного назначения как самостоятельно, так и в качестве базового элемента облучателя зеркальных и линзовых антенн для обеспечения приема-передачи сигналов с одновременным существованием различных видов поляризации.

Сущность полезной модели заключается в реализации устройства с высокими электрическими характеристиками, обеспечивающего в единой конструкции качественный прием или передачу различного типа поляризационных сигналов.

Технический результат от использования предлагаемого излучателя заключается в получении более достоверной информации при приеме или передаче сверхширокополосного СВЧ сигнала с поляризацией любого вида (линейная, эллиптическая, круговая и др.) и улучшении электрических характеристик:

- коэффициент перекрытия рабочего диапазона

;

- выполнение равенства ШДН в Е и Н-плоскостях;

- стабильность ШДН в широком диапазоне частот;

- низкий КСВН в широком диапазоне частот;

- высокий коэффициент усиления;

- совпадение геометрической и электрической осей;

- обеспечение защиты от внешних воздействий и устойчивости к климатическому воздействию на открытом воздухе;

- обеспечение жесткости конструкции и механической прочности.

Сверхширокополосный волноводно-рупорный излучатель содержит отрезок волновода, в Е-плоскости которого посередине размещен продольный металлический гребень, короткозамыкатель волновода, ввод питающей линии, возбудитель, в виде прямолинейного цилиндрического проводника, являющегося продолжением центрального проводника ввода питающей линии, выполненного коаксиальным, подключенным с гальваническим контактом к гребню, преобразователь типов волн, трансформатор волновых сопротивлений, раскрыв, причем преобразователь типа волн выполнен в виде отрезка П-образного волновода со скачкообразным изменением высоты гребня и возбудителя, подсоединенного в месте скачка высоты гребня, при этом возбудитель и ввод питающей линии расположены ортогонально гребню, трансформатор волновых прямоугольный волновод сечением а×b, образованный постепенным увеличением сечения П-образного волновода и ширины гребня, при одновременном уменьшении высоты гребня до нуля в сторону раскрыва, форма и размеры раскрыва излучателя формируются последовательным включением перехода с прямоугольного волновода на квадратный сечением a×a, перехода с квадратного на круглый волновод диаметром d, являющийся верхним основанием усеченного конуса, нижнее основание диаметром D которого определяет окончательные размеры раскрыва излучателя, при этом выполняются условия: 2,3λ_н≤D≤2,6λ_н, 2,15λ_в≤d≤2,45λ_в; 35°≤φ≤50°, для сечений прямоугольного и квадратного волноводов: a≥0,6λ_н; b≤1/2а, при длине переходов не менее λ_ср, где: λ_н - минимальная длина волны рабочего диапазона; λ_в - максимальная длина волны рабочего диапазона; λ_ср - средняя длина волны рабочего диапазона; φ - 1/2 угла раскрыва конуса, раскрыв излучателя закрыт диэлектрической заглушкой.

Description

Настоящая полезная модель относится к области антенной техники и может быть использована в радиотехнических системах различного назначения в виде самостоятельных антенн, так и в качестве облучателя зеркальных и линзовых антенн, в составе антенных решеток для обеспечения режима приема-передачи с одновременно существующими различного вида поляризациями.

Из существующего уровня техники известны пирамидальные рупорные излучатели, обладающие такими качествами, как простота конструкции, относительная широкополосность, высокий КПД.

Равенство ширины диаграммы направленности (ДН) рупора в горизонтальной и вертикальной плоскостях весьма важно при его использовании в качестве облучателя.

Недостатком пирамидального рупорного облучателя является то, что в следствие разных законов распределения интенсивности поля в раскрыве ширины ДН в разных плоскостях различны. Например, для волны Н₁₀ - равномерного в Е плоскости и косинусоидального для Н-плоскости, ширина ДН рупора в этих плоскостях различна [Лавров А.С., Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов - М., Сов. радио, 1974 г., с.210-211]. Уровень боковых лепестков ДН рупора в Е-плоскости значительно превосходит уровень боковых лепестков в Н-плоскости, что создает значительный «перелив» энергии за раскрыв облучаемой антенны, в результате чего снижается коэффициент использования поверхности (КИП) и коэффициент усиления (Кус) антенны.

Известна планарная рупорная антенна [патент Англии №1601441, кл. МКИ H01Q 13/20 НКИ H1Q, 1981 г.], излучающая часть которой, выполнена в виде печатной симметричной щелевой линии, экспоненциально расширяющейся от входной линии передачи к раскрыву. Переход на коаксиальный соединитель осуществляется через микрополосковую линию. Недостатком такой планарной рупорной антенны является ограниченная широкополосность, значительная неравномерность КСВН в рабочей полосе, значительный уровень кросполяризационной составляющей поля, низкий уровень предельной мощности.

Известна двухгребневая рупорная антенна [Double-Ridged Waveguide Horn, Model 3113, Antenna Catalog pp.27-29, ETS Lindgren, An ESCO Technolodies Company, Copynight 2002 by EMO Test Sustem www.ets-lindgren.com] содержащая прямоугольный рупор, внутри которого установлены два металлических гребня, торец прямоугольного рупора закрыт металлической заглушкой, на которой установлен коаксиальный соединитель.

Недостатком известного технического решения является высокий уровень неравномерности КСВН в диапазонах частот, значительный уровень кросполяризационной составляющей электрического поля, невозможного формирования линейной фазочастотной характеристики, сложной конструкции перехода на коаксиальный соединитель. Антенна работает на линейной поляризации.

Известна рупорная антенна [SU №1608767 A1, заявка 4655054/29-09 от 23.02.1989 г., опубл. 30.12.1994 г.], где рупор выполнен в виде усеченного круглого конуса и штыревого возбудителя, ось которого проходит через ось усеченного кругового конуса. Недостатком данной конструкции является ее узкополосность, открытость конструкции.

Известен рупорный излучатель [RU 2025842 C1 H01Q 13/02 от 01.04.1992 г., опубл. 30.12.1994 г.] с низким уровнем бокового излучения. В боковых стенках рупорного излучателя, кромки которого имеют зубчатую структуру, выполнены трапециевидные отверстия. Рупорный излучатель работает на линейной поляризации и не решает проблему равенства ширины диаграммы направленности (ШДН) в Е и Н плоскостях.

Известна рупорная антенна, используемая в качестве широкополосного излучателя зеркальной антенны [Труды НИИР №3 Антенно-фидерные устройства и техника СВЧ, стр.25. М., Радио и связь, 1990 г.], содержащая рупор с решетчатыми боковыми стенками в Н-плоскости и сплошными стенками в Е-плоскости, в плоскости Е расположены экспоненциально расширяющиеся ножевые пластины, а узел возбуждения в виде Н-волновода. Ширина диаграммы направленности с ростом частоты значительно уменьшается.

По патенту RU 2302062 C2 H01Q 13/02 от 25.01.2005 г. стабилизированная ШДН, повышенная широкополосность, но не решена задача работы на различные виды поляризации, по Ку и боковым лепесткам. Не решен вопрос равенства ШДН в Е и Н - плоскости, и отсутствие решения проблемы по защите от внешних воздействий при использовании на открытом воздухе.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому сверхширокополосному волноводно-рупорному излучателю является сверхширокополосный волноводно-рупорный излучатель [патент РФ RU (11) 2237954 (13) C1 H01Q 13/02 от 31.01.2003 г.], принятый за прототип, содержащий отрезок волновода, в Е-плоскости которого размещены два металлических гребня с изменяющимся зазором между их обращенными друг к другу кромками, короткозамыкатель волновода с размещением на нем соосным волноводу вводом, питающей линии, возбудитель и трансформатор волновых сопротивлений, при этом возбудитель выполнен в виде прямолинейного цилиндрического проводника, являющегося продолжением центрального проводника упомянутого ввода, выполненного коаксиальным, и подключен с гальваническим контактом к торцу одного из гребней, отстоящему для размещения преобразователя типов волн от короткозамыкателя, имеющего форму уступа, в то время как торец другого гребня непосредственно соединен с короткозамыкателем, оба гребня выполнены без использования диэлектрика и их кромки со стороны коаксиального ввода имеют ряд ступеней, образующих трансформатор волновых сопротивлений, причем первая, ближайшая к вводу ступень этого трансфарматора, является частью упомянутого преобразователя типов волн, а последняя примыкает к регулярному Н-образному волноводу, переходящему в волновод с плавно увеличивающимся в сторону раскрыва зазором между кромками гребней, при этом преобразователь типов волн состоит из двух последовательных отрезков линии передачи, первый из которых, ближайший к коаксиальному вводу, является отрезком коаксиальной линии с прямоугольным внешним проводником, центральным проводником которых является упомянутый возбудитель.

К недостаткам сверхширокополосного волноводно-рупорного излучателя - прототипа следует отнести то, что он работает только на линейной поляризации, ШДН в Е и Н - плоскостях значительно отличаются, ШДН значительно меняется в диапазоне частот, высокий уровень боковых лепестков. Не решается вопрос по совпадению геометрической и электрической оси. Не обеспечивается защита от внешних климатических воздействий при использовании на открытом воздухе.

Целью создания полезной модели является улучшение электрических характеристик сверхширокополосного волноводно-рупорного излучателя, расширение области применения.

Технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в повышении уровня сигнала при передаче, или в получении более достоверной информации при приеме сверхширокополосного СВЧ сигнала с поляризацией любого вида (линейной, эллиптической, круговой и др.), в постоянстве ШДН в широком диапазоне частот, в равенстве ШДН в Е и Н-плоскостях и совпадении геометрической и электрической осей, в высоком коэффициенте усиления и низком уровне боковых лепестков, в упрощении конструкции и обеспечении жесткости и механической прочности, в обеспечении защиты от внешних климатических воздействий.

Поставленная цель достигается тем, что сверхширокополосный волноводно-рупорный излучатель, содержит отрезок волновода, в Е-плоскости которого посередине размещен продольный металлический гребень, короткозамыкатель волновода, ввод питающей линии, возбудитель, в виде прямолинейного цилиндрического проводника, являющегося продолжением центрального проводника ввода питающей линии, выполненного коаксиальным, подключенным с гальваническим контактом к гребню, преобразователь типов волн, трансформатор волновых сопротивлений, раскрыв, причем преобразователь типа волн выполнен в виде отрезка П-образного волновода со скачкообразным изменением высоты гребня и возбудителя, подсоединенного в месте скачка высоты гребня, при этом возбудитель и ввод питающей линии расположены ортогонально гребню, трансформатор волновых сопротивлений выполнен в виде плавного перехода с П-образного волновода на прямоугольный волновод сечением а×b, образованный постепенным увеличением сечения П-образного волновода и ширины гребня, при одновременном уменьшении высоты гребня до нуля в сторону раскрыва, форма и размеры раскрыва излучателя формируются последовательным включением перехода с прямоугольного волновода на квадратный сечением a×a, перехода с квадратного на круглый волновод диаметром d, являющийся верхним основанием усеченного конуса, нижнее основание диаметром D которого определяет окончательные размеры раскрыва излучателя, при этом выполняются условия: 2,3λ_н≤D≤2,6λ_н; 2,15λ_в≤d≤2,45λ_в; 35°≤φ≤50°, для сечений прямоугольного и квадратного волноводов: a≥0,6λ_н; b≤1/2a, при длине переходов не менее λ_ср, где: λ_н - минимальная длина волны рабочего диапазона; λ_в - максимальная длина волны рабочего диапазона; λ_ср - средняя длина волны рабочего диапазона; φ - 1/2 угла раскрыва конуса, раскрыв излучателя закрыт диэлектрической заглушкой.

Сущность полезной модели заключается в реализации в единой конструкции устройства с высокими электрическими характеристиками для приема или передачи СВЧ сигналов в широком диапазоне частот.

Полезная модель представляет собой линейное СВЧ устройство, получена в результате применения новых конструктивных решений: преобразователя типа волн выполненного в виде отрезка П-образного волновода со скачкообразным изменением высоты гребня и возбудителя, подсоединенного в месте скачка высоты гребня, расположения возбудителя и ввода питающей линии ортогонально гребню, выполнения трансформатора волновых сопротивлений в виде плавного перехода с П-образного волновода на прямоугольный волновод сечением а×b, образованного постепенным увеличением сечения П-образного волновода и ширины гребня, при одновременном уменьшении высоты гребня до нуля.

Отличительными признаками полезной модели являются: гребень со скачкообразным изменением высоты, плавный переход с П-образного волновода на прямоугольный волновод, образованный постепенным увеличением сечения П-образного волновода и ширины гребня, при одновременном уменьшении высоты гребня до нуля, комбинированное последовательное соединение волноводных переходов с одного сечения на другое - с прямоугольного на квадратное, с квадратного на круглое, соотношения и условия, выполняемые при определении размеров.

Применение гребня со скачкообразным изменением высоты обеспечивает выполнение ввода питающей линии ортогонально расположенного к гребню, а подсоединение к гребню центрального проводника ввода питающей линии, выполненного коаксиальным, в месте скачка высоты гребня позволяет создать преобразователь типа волн в совокупности представляющий собой конструктивное соединение отрезка П-образного волновода с короткозамыкателем с отрезком П-образного волновода связанного с трансформатором и, в месте их соединения, с центральным проводником коаксиала. Данное конструктивное решение обеспечивает качественное преобразование типа волны коаксиальной линии в основной тип волны прямоугольного волновода и направленное ее распространение в сторону раскрыва излучателя. [Конструкции СВЧ устройств и экранов. Под ред. А.М.Чернушенко М., «Радио и связь» 1983 г., с.100-102]

Применением П-образного волновода обеспечивается широкополосность антенны за счет увеличения критической длины в волноводе [И.Е.Ефимов Г.А.Шермина Волноводные линии передачи, М., Связь. 1979 г., с.77-80].

Размеры П-образного волновода определяются в зависимости от вида поперечного сечения, требуемой полосы рабочих частот и могут быть выбраны с коэффициентом перекрытия диапазона частот 2,4:1 или 3,6:1 [ОСТ 107750781.001-81 Волноводы с поперечным сечением сложной формы. Параметры и размеры. 1988 г.].

Выполнение трансформатора волновых сопротивлений в виде плавного перехода с П-образного волновода на прямоугольный волновод сечением a×b обеспечивает плавное изменение волновых сопротивлений волноводов, а постепенным увеличением сечения П-образного волновода и ширины гребня, при одновременном уменьшении высоты гребня до нуля, сохраняется требуемая широкополосность и уменьшается длина перехода.

Размеры сечения а×b: а≥0,6λ_н, b≤1/2a прямоугольного волновода выбираются из условия распространения чистой волны основного типа H₁₀ в требуемой полосе рабочих частот [А.А.Метрикин Антенны и волноводы РРЛ, М., Связь. 1977 г., с.70-75].

Переход с прямоугольного волновода на квадратный сечением а×а обеспечивает одинаковые условия для приема-передачи СВЧ сигналов с вертикальной и горизонтальной поляризациями.

Длина переходов не менее λ_ср выбирается из условия обеспечения минимальных габаритов и максимального совпадения геометрической и электрической осей излучателя, при длине переходов менее λ_ср не обеспечивается распространение чистой волны основного типа, что приводит к отклонению максимума ШДН от геометрической оси излучателя.

Для приема-передачи СВЧ сигналов с эллиптической, круговой поляризациями, раскрыв излучателя выполнен в виде усеченного конуса. Размеры диаметров d и D верхнего и нижнего оснований усеченного конуса определяются требованиями к ЩДН и уровню боковых лепестков излучателя [А.А.Метрикин Антенны и волноводы РРЛ, М., Связь. 1977 г., с.24-26]. Условия для определения размеров диаметров d, D и угла раскрыва 2φ усеченного конуса, обеспечивающие выполнение требований к параметрам излучателя в заданной полосе рабочих частот, получены при математическом моделировании излучателя.

Для диаметра d верхнего основания усеченного конуса выполнение условия 2,15λ_в≤d≤2,45λ_в определяет параметры и обеспечивает стабильность ШДН излучателя в верхней части полосы рабочих частот при приеме-передаче СВЧ сигналов с вертикальной, горизонтальной, эллиптической, круговой поляризациями.

Для диаметра D нижнего основания усеченного конуса выполнение условия 2,3λ_н≤D≤2,6λ_н определяет параметры и обеспечивает стабильность ШДН излучателя в нижней части полосы рабочих частот при приеме-передаче СВЧ сигналов с вертикальной, горизонтальной, эллиптической, круговой поляризациями.

Условие 35°≤φ≤50° для угла раскрыва 2φ усеченного конуса при выполнении условий для d и D определяет границы взаимосвязи диаметров d и D друг с другом, обеспечивающие требуемую стабильность ШДН во всей полосе рабочих частот при требуемых значениях уровня боковых лепестков ДН и коэффициента усиления.

Размещение диэлектрической заглушки в раскрыве излучателя позволяет дополнительно оптимизировать уровень согласования и уровень неравномерности ДН и уровень боковых лепестков. Заглушка выступает в качестве дополнительного корректора фазового распределения поля в раскрыве излучателя, а также обеспечивается жесткость конструкции, выполняет функцию защиты (обтекателя) от внешних климатических воздействий при использовании на открытом воздухе.

Технический результат достигается благодаря объединению различных линий передачи в единую конструкцию, в определенной последовательности: П-образный, волновод, прямоугольный, квадратный и круглый волноводы, применению конструктивных элементов в виде гребня со скачкообразным изменением высоты, плавного перехода с П-образного волновода на прямоугольный волновод, образованного постепенным увеличением сечения П-образного волновода и ширины гребня, при одновременном уменьшении высоты гребня до нуля, усеченного конуса, соотношений и условий, выполняемых при определении размеров, размещению в раскрыве излучателя диэлектрической заглушки. Именно совокупность этих решений в устройстве обеспечивает необходимые условия для получения более достоверной информации при приеме сверхширокополосного СВЧ сигнала с поляризацией любого вида (линейной, эллиптической, круговой и др.), упрощения конструкции, обеспечения жесткости, механической прочности и защиты от внешних климатических воздействий.

Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что предложенный излучатель отмечается наличием новых элементов.

Таким образом, полезная модель соответствует критерию новизны.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенные элементы известны, однако введение их в излучатель с указанными размерами и свойствами позволяют обеспечить в рабочем диапазоне частот такое сложение полей, при котором угловое распределение амплитуды результирующего поля в дальней зоне остается практически постоянным в рабочем диапазоне, т.е. обеспечивается стабилизация ширины ДН. Последнее обеспечивает получение положительного эффекта.

Для приема передачи всех видов поляризации (вертикальной, горизонтальной, эллиптической, круговой) излучатель располагается с ориентацией коаксиального ввода питающей линии под углом 45° относительно горизонта. Введение заглушки обтекателя позволяет дополнительно корректировать фазовое распределение поля и обеспечивает функциональную защиту от внешних климатических воздействий.

Полезная модель имеет изобретательный уровень, так как она для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

При использовании предложенного излучателя достигается следующий эффект:

- излучатель работает на всех видах поляризации в широком диапазоне частот;

- соблюдается равенство ШДН в Е и Н-плоскостях;

- стабильность ШДН во всем широком диапазоне частот;

- низкий КСВН в широком диапазоне частот;

- высокий коэффициент усиления;

- низкий уровень боковых лепестков;

- совпадение геометрической и электрической осей ДН;

- простота конструкции перехода на коаксиальную линию;

- обеспечение защиты от внешних климатических воздействий при использовании на открытом воздухе;

- обеспечение жесткости конструкции и механической прочности.

На фиг.1 представлен сверхширокополосный волноводно-рупорный излучатель (далее излучатель), вид сбоку, в разрезе; на фиг.2 - то же, вид А в разрезе; цифрами обозначены:

1 - отрезок волновода;	2 - гребень;
3 - короткозамыкатель волновода;	4 - ввод питающей линии;
5 - возбудитель;	6 - цилиндрический проводник;
7 - преобразователь типов волн;	8 - трансформатор волновых сопротивлений;
9 - раскрыв;	10 - П-образный волновод;
11 - скачок;	12 - плавный переход;

13 - прямоугольный волновод;

14 - переход с прямоугольного волновода 13 на квадратный волновод 15;

15 - квадратный волновод;

16 - переход с квадратного волновода 15 на круглый волновод 17;

17 - круглый волновод;	18 - верхнее основание;
19 - усеченный конус;	20 - нижнее основание;
21 - диэлектрическая заглушка;	22 - прижимная шайба;

Излучатель содержит отрезок волновода 1, короткозамыкатель волновода 3, ввод питающей линии 4, плавный переход 12, прямоугольный волновод 13, переход 14 с прямоугольного волновода 13 на квадратный волновод 15, переход 16 с квадратного волновода 15 на круглый волновод 17, усеченный конус 19, раскрыв 9, диэлектрическую заглушку 21, прижимную шайбу 22.

Излучатель выполнен в виде единой конструкции, состоящей из отрезка волновода 1 закрытого с одной стороны короткозамыкателем волновода 3, внутри волновода 1 в Е-плоскости посередине размещен продольный металлический гребень 2 образующий П-образный волновод 10, при этом гребень выполнен со скачкообразно изменяющейся высотой, стороной с меньшей высотой соединен с короткозамыкателем волновода 3, а стороной с большей высотой направлен в сторону раскрыва 9 и соединен с трансформатором волновых сопротивлений 8, к гребню 2 в месте скачка 11 его высоты, с гальваническим контактом ортогонально подсоединен возбудитель 5 в виде прямолинейного цилиндрического проводника 6, являющегося продолжением центрального проводника ввода питающей линии 4, выполненного коаксиальным. Конструктивно объединенные П-волновод 10, ввод питающей линии 4 и возбудитель 5 образуют преобразователь типов волн 7. Трансформатор волновых сопротивлений 8 выполнен в виде плавного перехода 12 с П-образного волновода 10 на прямоугольный волновод сечением а×b 13, образованный постепенным увеличением сечения П-образного волновода 10 и ширины гребня 2, при одновременном уменьшении высоты гребня 2 до нуля в сторону раскрыва 9. К прямоугольному волноводу сечением а×b 13 последовательно подсоединены переход с прямоугольного волновода 13 на квадратный волновод 15 сечением ахай переход с квадратного волновода 15 на круглый волновод 17 диаметром d, являющийся верхним основанием 18 усеченного конуса 19, нижнее основание 20 диаметром D которого, определяет окончательные размеры раскрыва 9 излучателя. Раскрыв излучателя закрыт диэлектрической заглушкой 21, которая фиксируется с помощью прижимной шайбы 22.

Взаимное положение, размеры и состав элементов конструкции излучателя получены с помощью математического моделирования и окончательно определены экспериментальными исследованиями.

Принцип работы предлагаемого устройства.

Через ввод питающей линии 4 СВЧ сигнал по цилиндрическому проводнику 6 подается внутрь П-образного волновода 10 в возбудитель 5, где на преобразователе типов волн 7 волна ТЕМ, распространяющаяся с коаксиального ввода питающей линии 4, преобразуется в волны H_nm и в сторону раскрыва 9 распространяется волна H₁₀, через трансформатор волновых сопротивлений 8, через переход с прямоугольного волновода 13 на квадратный волновод 15 сечением охай переход с квадратного волновода 15 на круглый волновод 17 диаметром d поступает в усеченный конус 19, где формируется окончательный вид ДН, и излучается в пространство через нижнее основание 20 и диэлектрическую заглушку 21.

Конструкция излучателя взаимная, может использоваться как для приема, так и для передачи СВЧ сигнала.

Пример реализации излучателя

На первом этапе проектирования проводится предварительный расчет размеров структуры излучателя по предъявляемым требованиям к параметрам: определяются размеры П-образного волновода, коаксиального ввода питающей линии, прямоугольного, квадратного и круглого волноводов с учетом требований к рабочему диапазону длин волн; размеры и соотношения диаметров верхнего и нижнего оснований усеченного конуса, его длины и длины излучателя в целом с учетом требования к параметрам излучения и согласования.

Окончательные конструктивные параметры излучателя определяются математическим моделированием распределения электромагнитного поля, распространяющегося в полости СВЧ структуры излучателя с получением его электрических характеристик. На основе метода конечных элементов вычисляются многомодовые S параметры и электромагнитные поля в трехмерных пассивных структурах произвольной формы конечных элементов, точно определяются все характеристики СВЧ структуры с учетом возникновения и преобразования одних типов волн в другие, потерь в материалах и на излучение [Банков С.Е., Курушин А.А., Разевиг В.Д. Анализ и оптимизация трехмерных СВЧ структур с помощью HFSS М., СОЛОН-Пресс, 2004, с.5-7].

Моделирование проводилось на ПЭВМ SUPERMICRO, тактовая частота 3,2 ГГц, объем оперативной памяти 94 Гб, операционная система Windows 7.

Изготовлен сверхширокополосный волноводно-рупорный излучатель в диапазоне 8-18 ГГц с параметрами:

размеры прямоугольного волновода a×b - 23×10 мм;

размеры квадратного волновода a×a - 23×23 мм;

нижнее основание усеченного конуса D - 100 мм;

круглый волновод диаметром d- 36 мм;

угол φ - 37°

На фиг.3-11 представлены электрические характеристики излучателя, полученные экспериментально.

На фиг.3 приведена частотная зависимость КСВН в РДЧ (не более 1,45)..

На фиг.4 представлена частотная зависимость коэффициента усиления излучателя на поляризациях - совпадающей, горизонтальной, вертикальной, круговой левого и правого вращения в РДЧ (К_ус не менее 14,8 на совпадающей поляризации).

На фиг.5 - нормированная ДН излучателя в горизонтальной плоскости на совпадающей поляризации в РДЧ с шагом 1 ГГц; (на уровне 3 дБ на f_cp ШДН=26°, в диапазоне 26±4°).

На фиг.6 - нормированная ДН излучателя в вертикальной плоскости на совпадающей поляризации в РДЧ с шагом 1 ГГц; (на уровне 3 дБ на f_cp ШДН=26°, диапазоне 26±3°).

На фиг.7 - нормированная ДН излучателя в горизонтальной плоскости на горизонтальной поляризации в РДЧ с шагом 1 ГГц; (на уровне 3 дБ на f_cp ШДН=26°, в диапазоне 26±3°).

На фиг.8 - нормированная ДН излучателя в горизонтальной плоскости на вертикальной поляризации в РДЧ с шагом 1 ГГц; (на уровне 3 дБ на f_cp ШДН=26°, в диапазоне 26±4°).

На фиг.9 - нормированная ДН излучателя в горизонтальной плоскости на круговой поляризации левого направления вращения в РДЧ с шагом 1 ГГц; (на уровне 3 дБ на f_cp ШДН=27°, в диапазоне 28±4°).

На фиг.10 - нормированная ДН излучателя в горизонтальной плоскости на круговой поляризации правого направления вращения в РДЧ с шагом 1 ГГц; (на уровне 3 дБ на f_cp ШДН=25°, в диапазоне 25±5°).

На фиг.11 - нормированная ДН излучателя в горизонтальной плоскости на совпадающей поляризации в РДЧ с шагом 1 ГГц в полярных координатах (уровень БЛ и заднего излучения излучателя не более минус 24 дБ).

Полученные результаты подтверждают реализацию технического результата от использования предлагаемого излучателя.

Практическая реализация обеспечивается простотой конструкции, технологичностью изготовления.

Излучатель может быть применен в радиотехнических системах различного назначения в антенных устройствах как самостоятельно, так и в качестве базового элемента облучателя зеркальных и линзовых антенн для обеспечения режима приема-передачи (в сверхширокополосном диапазоне частот).

Claims (1)

1. Сверхширокополосный волноводно-рупорный излучатель, содержащий отрезок волновода, в Е-плоскости которого посередине размещен продольный металлический гребень, короткозамыкатель волновода, ввод питающей линии, возбудитель, в виде прямолинейного цилиндрического проводника, являющегося продолжением центрального проводника ввода питающей линии, выполненного коаксиальным, подключенным с гальваническим контактом к гребню, преобразователь типов волн, трансформатор волновых сопротивлений, раскрыв, отличающийся тем, что преобразователь типа волн выполнен в виде отрезка П-образного волновода со скачкообразным изменением высоты гребня и возбудителя, подсоединенного в месте скачка высоты гребня, причем возбудитель и ввод питающей линии расположены ортогонально гребню, трансформатор волновых сопротивлений выполнен в виде плавного перехода с П-образного волновода на прямоугольный волновод сечением а×b, образованный постепенным увеличением сечения П-образного волновода и ширины гребня, при одновременном уменьшении высоты гребня до нуля в сторону раскрыва, при этом форма и размеры раскрыва излучателя формируются последовательным включением перехода с прямоугольного волновода на квадратный волновод сечением a×a, перехода с квадратного на круглый волновод диаметром d, являющийся верхним основанием усеченного конуса, нижнее основание диаметром D которого определяет окончательные размеры раскрыва излучателя, при этом выполняются условия:

   2,3λ_н≤D≤2,6λ_н; 2,15λ_в≤d<2,45λ_в; 35°≤φ≤50°,

   для сечений прямоугольного и квадратного волноводов: a≥0,6λ_н; b≤1/2а, при длине переходов не менее λ_ср, где:

   λ_н - минимальная длина волны рабочего диапазона,

   λ_в - максимальная длина волны рабочего диапазона,

   λ_ср - средняя длина волны рабочего диапазона,

   φ - 1/2 угла раскрыва конуса,

   раскрыв излучателя закрыт диэлектрической заглушкой.

   

Images