RU2000634C1 - Антенна решетка - Google Patents

Abstract

Использование: в антенной технике дл  непосредственного приема сигналов спутникового телевидени . Сущность изобретени : антенна  решетка содержит п параллельных отрезков пр моугольного волновода, на широких сторонах которых выполнены излучающие щели. Щели расположены перпендикул рно оси, ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки отрезка пр моугольного волновода, Дополнительно на широкой стенке каждого из отрезков волновода выполнена дополнительна  щель, расположенна  вдоль оси. ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки отрезка пр моугольного волновода. 2 з п. ф- лы, 5 ил.

Description

Изобретение относитс  к антенной технике и может использоватьс  дл  непосредственного приема сигналов спутникового телевидени  в системах СНТВ - DBS и ра- диовещени .

Известна дипольна  антенна  решетка в печатном исполнении фирмы FUBA, предназначенна  дл  приема спутникового теле- видени  1. Она обеспечивает прием сигналов с круговой пол ризацией.

Недостатком такой антенны  вл ютс  очень широкие требовани  к точности изготовлени  и большие потери, обусловленные потер ми в диэлектрике, в результате чего уменьшаетс  коэффициент усилени  антенны , что не может быть скомпенсировано увеличением ее габаритов.

Известна также щелева  антенна, обеспечивающа  прием сигналов с круговой по- л ризацией и используема  дл 

спутникового телевидени  2. Эта антенна имеет более высокий КПД, но распределение пол  в ее раскрыве существенно неравномерно в диапазоне рабочих частот Недостатком антенны также  вл етс  сложность конструкции, высокие требовани  к точности изготовлени .

Этот недостаток устранен в щелевой антенне , выполненной в виде пр моугольного волновода, в широкой стенке которого прорезана пр молинейна  щель, расположенна  по одну сторону от продольной оси этой стенки под углом к этой оси 3

Однако така  антенна обеспечивает создание направленного излучени  только с одним видом пол ризации, а именно линейно пол ризованного излучени , вектор Б пол которогоориентирован перпендикул рно оси щелей.

/О

с

ю о

8

О CJ

N О

Известна антенна  решетка, выбранна  в качестве прототипа, состо ща  из п пр моугольных волноводов с общими боковыми стенками, в широких стенках которых прорезаны излучающие щели 4.

Однако известна  антенна  решетка имеет низкий коэффициент использовани  поверхности раскрыва при заданном уровне боковых лепестков.

Цель изобретени  - повышение коэффициента использовани  поверхности раскрыва антенной решетки с заданным уровнем боковых лепестков при обеспечении работы с заданным видом пол ризации. Сущность изобретени  заключаетс  в том, что в антенной решетке, состо щей из п параллельных отрезков пр моугольного волновода со смежными боковыми стенками , одни концы которых подсоединены к возбуждающему узлу, а другие нагружены на согласованные нагрузки, при этом на широких стенках отрезков пр моугольного волновода выполнены излучающие элементы , излучающие элементы выполнены в виде щелей, размещенных перпендикул рно оси, ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки пр моугольного волновода, а также на широкой стенке каждого отрезка пр моугольного волновода прорезана дополнительна  щель, расположенна  вдоль оси, ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки, кроме того, вдоль оси. параллельной оси параллельных щелей, прорезаны дополнительные щели, кажда  гз которых размещена симметрично относительно продольной оси соответствующей параллельной щели.

На фиг.1 приведена конструктивна  схема антенной решетки; на фиг.2 - излучатель антенной решетки с линейной пол ризацией излучени , вектор пол  Е которого параллелен плоскости узких стенок отрезка пр моугольного волновода; на фиг.З и 4 излучатель антенной решетки с эллиптической и круговой пол ризацией излучени  соответственно.

Антенна  решетка содержит п отрезков пр моугольного волновода 1, одни концы которых подсоединены к возбуждающему узлу 2. В широких стенках отрезков пр моугольного волновода 1 выполнены р ды щелей 3, размещенных перпендикул рно оси 4, ориентированной под углом к продольной оси 5 широкой стенки отрезка пр моугольного волновода 1. Параллельно оси 4 прорезана дополнительна  щель 6 (см.фиг.З). Эта щель может быть выполнена в виде отдельных щелей 7, кажда  из которых расположена симметрично относительно продольной оси соответствующей ей щели (см.фиг.4 и 5).

Согласованные нагрузки 8 установлены на других концах отрезков пр моугольного волновода 1.

Предлагаема  антенна работает следу- ющим образом.

При распространении в пр моугольном волноводе волны основного типа дл  поперечной Нх и продольной Hz составл ющих магнитного пол  справедливы следующие выражени :

Нх Н0 V, гАч2 sin ;

1 V9   а

V2 а

15

 Х

Hz - JH0 (fg cos

0

5

0

5

где А - длина волны в свободном пространстве;

а - ширина широкой стенки волновода; 0 X О на боковой стенке волновода.

Учитыва , что ,H дл  составл ющих тока, текущего по внутренней поверхности широкой стенки, получим:

JZ - АНо V. , A v2 sin ; 1 Ч а а

Jx--JAHo(cos .(1)

где А - коэффициент, св зывающий составл ющие тока и пол  Н.

Из (1) видно, что JZ О у боковой стенки волновода и достигает максимума на осевой линии широкой стенки волновода.

Система параллельных щелей 3, прорезанных в широкой стенке отрезка пр моугольного волновода 1 в поперечном направлении, будет возбуждатьс  составл ющей тока г. Мощность в волноводе будет убывать по мере удалени  от генератора за счет излучени  энергии щел ми 3, и поэтому , чем дальше расположена щель 3 от возбуждающего узла 2 вдоль отрезка пр моугольного волновода 1, тем она будет слабее возбуждатьс .

Дл  выравнивани  интенсивности возбуждени  параллельных щелей 3 они размещены на широкой стенке пр моугольного

волновода 1 перпендикул рно оси 4, ориентированной под углом к продольной оси 5 широкой стенки отрезка пр моугольного волновода 1. Таким образом, по мере убывани  мощности вдоль отрезка пр моугольного волновода 1 за счет истечени  энергии через щели 3 в соответствии с (1) излучающие щели 3 попадают в область большей интенсивности возбуждени , что компенсирует уменьшение мощности в отрезке пр моугольного волновода 1.

Измен   угол между ос ми 4 и 5, размеры щелей 3 и рассто ние между ними, можно в широких пределах мен ть распределение пол  вдоль антенны, причем удаетс  достичь выгодного компромисса между усилением антенны и уровнем боковых лепестков. При такой конфигурации антенна излучает поле линейной пол ризации, вектор Е которого ориентирован перпендикул рно щел м 3. При этом антенна создает практически продольно- пол ризованное излучение (вектор Е лежит в плоскости, содержащей ось антенны), в то врем  как устройство-прототип при входных пространственных характеристиках из- лучени  может создать только поперечно-пол ризованное излучение.

Асимметричное расположение щелей на внешней поверхности широкой стенки приводит к пол ризованным искажени м излучени  за счет асимметрии токов, текущих по внешней поверхности антенны, в случае выполнени  ее в виде отдельного волновода.

При использовании излучател  в решетке , раскрыв которой представл ет собой единый провод щий лист с прорезанными в нем щел ми (см.фиг. 1), причины возникновени  асимметрии токов на внешней поверхности листа исключаютс  и пол ризационна  чистота излучени  антенны резко увеличиваетс .

При большом числе щелей 3 рассто ние между ними некритично и определ етс  требуемым законом распределени  пол  вдоль линейной решетки и общеизвестными соображени ми по недопущению возникновени  больших по уровню дифракционных лепестков. Расположение щелей 3 может быть неэквидистантным.

Дл  создани  эллиптически-пол ризо- ванного излучени  р дом с системой поперечных параллельных щелей 3 прорезана по всей длине широкой стенки продольна  щель 6 (см.фиг.З). Продольна  щель 6 возбуждаетс  составл ющей тока jx и создает излучение, пол ризованное ортогонально излучению системы поперечных щелей 3. Наличие фазового сдвига лУ2 между составл ющими тока Jx и Jz (1) в каждом сечении отрезка пр моугольного волновода 1 обеспечивает создание эллиптически-пол - ризованного излучени .

Если рассто ние между лини ми расположени  поперечных и продольной щелей 3 и 6 посто нно и равно а /2 . то в любом сечении волновода 1 выполн етс  соотношение

ВМ

Л/2 а

(2)

что и подтверждает, что излучение антенны эллиптически-пол ризовано.

Параметры эллипса пол ризации могут в широких пределах варьироватьс  выбором и расположением поперечных и продольной щелей 3 и 6, а также выбором отношени  А/ 2а . Дл  получени  пол ризации с обратным направлением вращени  вектора пол  поперечные и продольна  щели 3 и 6 мен ютс  на широкой стенке местами . Лини  расположени  поперечных щелей 3 начинаетс  от боковой стенки и приближаетс  к осевой линии, а продольна  щель 6 начинаетс  от осевой линии и приближаетс  к боковой стенке .

Несмотр  на то, что така  конструкци 

позвол ет создавать излучение с широким диапазоном параметров эллипса пол ризации , получение круговой пол ризации при такой конструкции в диапазоне частот затруднено , так как поперечные щели 3 и продольна  щель 6 создают разный фазовый сдвиг излученного пол  по отношению к фазе возбуждающего тока. Дл  того чтобы указанный сдвиг был одинаковым, продольна 

щель разбиваетс  на отдельные щели так, чтобы каждой из поперечных щелей соответствовала точно така  же по конфигурации перпендикул рно к ней расположенна  щель. У такой пары взаимно ортогональных

щелей амплитудно-фазовые характеристики излучени  будут идентичны, и характер их суммарного излучени  будет зависеть лишь от характера их возбуждени , т.е. от взаимного их расположени  на широкой

стенке волновода.

Устройство в соответствии с п. 3 формулы изобретени  (см.фиг.4 и 5) позвол ет получить излучение с круговой пол ризацией . Кажда  щель из любой пары соседних

взаимно ортогональных щелей 3 и 7 излучает одинаковые по амплитуде и фазе пол  на любой частоте при одинаковых размерах двух ортогональных щелей и одинаковых возбуждающих токах. Поэтому дл  одинаковых ортогональных щелей, центры которых расположены в плоскости одного и того же поперечного сечени  отрезка пр моугольного волновода 1, если, например, рассто ние между их центрами составл ет а/2, а

Я a , то с учетом (2) имеем

, Е Jx J

(3)

где Еп - составл юща  вектора электрического пол , лежаща  в плоскости, нормальной к широкой стенке и содержащей ось 4;

EI - составл юща  вектора электрического пол , перпендикул рна  плоскости, нормальной к широкой стенке и содержащей ось 4.

Из (3) следует, что взаимно ортогональные компоненты пол  излучени  равны по амплитуде и имеют фазовый сдвиг  /2 , т.е. излученное поле имеет чисто круговую пол ризацию . Так как это справедливо дл  любой пары взаимно ортогональных щелей, то справедливо и дл  всей решетки.

На фиг.5 представлена конструкци , обеспечивающа  излучение пол  круговой пол ризации противоположного вращени .

Устройство по п.1, было изготовлено и исследовано экспериментально. Результаты эксперимента подтвердили возможность получени  антенны с хорошими характеристиками . В пр моугольном волноводе 23x10 мм перпендикул рно пр мой, расположенной под углом 1° к осевой линии волновода, в широкой стенке на длине 430 мм прорезаны 75 щелей размерами 8x1 мм. Один конец первой щели примыкает к внутренней поверхности узкой стенки волновода, центр последней щели лежит на осевой линии волновода.

Измер лось распределение пол  вдоль антенны дл  разных частот, зависимость мощности, поглощаемой в нагрузке, от частоты , зависимость КСВН от частоты.

В среднем измеренна  разность между мощностью генератора и мощностью, попадающей в нагрузку, составила « 1 дБ, т.е. в нагрузку уходит 79%. Столь незначительна  интенсивность излучени  при выбранной геометрии антенны говорит о больших возможност х дл  создани  высоконаправленной антенной решетки.

Дл  снижени  потерь в нагрузке следует расшир ть щели и увеличивать общую длину антенны, что делает конструкцию более технологичной, а антенну более направленной . Это легко реализуемо, так как эксперимент с устройством-аналогом 3, имеющим одну сплошную щель длиной 500 мм и шириной 3 мм, расположенную на широкой стенке под углом к осевой линии волновода , показал, что в диапазоне 7,6 - 9,4 ГГц (20%) дол  мощности, поглощаемой нагрузкой , не превышает 5%.

Измеренное распределение пол  имеет лишь слабую неравномерность, не превышающую 3 дБ при резком спаде у концов антенны, причем максимум пол  сдвинут к концу волновода, содержащему нагрузку. Это подтверждает то, что имеютс  широкие возможности дл  увеличени  интенсивности излучени  энергии щел ми.

В диапазоне 8,2 - 12,5 ГГц разность между мощностью генератора и мощностью , попадающей в нагрузку, находитс  в интервале 1-2,2 дБ, медленно и монотонно возраста  с частотой.

В этом же диапазоне КСВН 1,16.

Claims (3)

1. Формула изобретени  1. Антенна  решетка, состо ща  из п параллельных отрезков пр моугольного волновода, одни концы которых подсоединены х возбуждающему узлу, а другие нагружены на согласованные нагрузки, при этом на широких стенках отрезков пр моугольного волновода выполнены излучающие элементы в виде параллельных щелей, отличающа с  тем, что параллельные щели размещены перпендикул рно оси, ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки отрезка пр моугольного волновода.
2. 2.Решетка по п.1,отличающа с  тем, что на широкой стенке каждого из отрезков пр моугольного волновода выполнена дополнительна  щель, расположенна  вдоль оси, ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки отрезка

   пр моугольного волновода.
3. 3.Решетка по п.1,отличающа с  тем, что вдоль оси, параллельной оси разме-. щени  параллельных щелей каждого из отрезков пр моугольного волновода,

   выполнены дополнительные щели, причем центры каждой из параллельных щелей и соответствующей ей дополнительной щели лежат в плоскости одного и того же поперечного сечени  отрезка пр моугольного волповода .

   Фиг. i