RU2019008C1

RU2019008C1 - Waveguide-horn radiator

Info

Publication number: RU2019008C1
Authority: RU
Inventors: Б.В. Борщ; А.Л. Джиоев
Original assignee: Ростовский научно-исследовательский институт радиосвязи
Priority date: 1991-01-08
Filing date: 1991-01-08
Publication date: 1994-08-30

Abstract

FIELD: aerial equipment. SUBSTANCE: waveguide-horn radiator has section of waveguide short-circuited with metal plate. In center of E plane two longitudinal metal combs with smoothly changing gap between them are put. Radiator also includes exciter and hole for feeder. Metal combs are produced in the form of metallization of one of sides of dielectric plate installed in E plane of radiator. Bent conductor in the form of metallization is made on the other side. In projection it crosses gap between metal combs at distance λ_w/4 of metal plate, where λ_w is maximum working length of length of wave in waveguide. It forms exciter in this point which has no conductive coupling with metal combs. Hole for feeder is located in metal plate. Feeder is fabricated in the form of asymmetric strip line which screen is presented by first of metal combs. Strip os part of bent conductor placed between hole for feeder and exciter. In this case the rest part of bent conductor positioned between its end and exciter form together with second metal comb open section of asymmetric strip line λ_s/4 in length, where λ_s is maximum working length of wave in strip line. EFFECT: reduced mass and later a dimensions, simplified technology of manufacture of radiator. 5 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, а точнее - к антенной технике, и может быть использовано как в виде самостоятельной антенны, так и в составе более сложных антенн. The invention relates to radio engineering, and more specifically to antenna technology, and can be used both in the form of a separate antenna, and as part of more complex antennas.

Известны волноводно-рупорные излучатели на основе круглых и прямоугольных волноводов, которые широко применяются на СВЧ в качестве облучателей зеркальных антенн и элементов антенных решеток. Недостатком таких излучателей являются сравнительно большие масса и поперечные размеры, задача уменьшения которых особенно актуальна при размещении их на самолетах и космических аппаратах. Known waveguide-horn emitters based on round and rectangular waveguides, which are widely used on microwave as irradiators of mirror antennas and elements of antenna arrays. The disadvantage of such emitters is the relatively large mass and transverse dimensions, the task of reducing which is especially relevant when placing them on airplanes and spacecraft.

Известны также излучатели на основе волноводов с уменьшенными поперечными размерами, например Н-образные. Такие излучатели содержат массивные металлические гребни для согласования волновых сопротивлений Н-образного волновода и свободного пространства. Металлические гребни вблизи раскрыва излучателя имеют определенную криволинейную форму, которая, как и зазор между гребнями в волноводе, должна выдерживаться с большой точностью. Also known emitters based on waveguides with reduced transverse dimensions, for example, H-shaped. Such emitters contain massive metal ridges to match the wave impedances of the H-shaped waveguide and free space. The metal ridges near the emitter aperture have a certain curved shape, which, like the gap between the ridges in the waveguide, must be maintained with great accuracy.

Так, известна рупорная антенна, в Е-плоскости которой расположены два металлических гребня. Расстояние между внутренними кромками этих гребней увеличивается от горловины к раскрыву рупора по степенному закону. Оптимальное для данной конструкции согласование можно получить, если форма кромки гребня описывается степенной функцией четвертой-пятой степени. Thus, a horn antenna is known in the E-plane of which two metal ridges are located. The distance between the inner edges of these ridges increases from the neck to the mouth opening according to a power law. The optimal coordination for this design can be obtained if the shape of the ridge edge is described by a power function of the fourth to fifth degree.

При том основание каждого гребня, примыкающее к стенке антенны, не является прямолинейным (имеется излом в горловине). Изготовление такого сложного металлического гребня возможно только фрезерованием, что является довольно трудоемким технологическим процессом. Но и после изготовления гребней требуемые электрические характеристики антенны могут оказаться недостигнутыми, если при сборке гребни не будут точно установлены друг относительно друга. Moreover, the base of each ridge adjacent to the antenna wall is not straightforward (there is a kink in the neck). The manufacture of such a complex metal ridge is possible only by milling, which is a rather labor-intensive technological process. But even after the manufacture of the flanges, the required electrical characteristics of the antenna may not be achieved if, during assembly, the flanges are not precisely set relative to each other.

Таким образом, недостатками антенны являются большая масса и сложная технология изготовления гребней, а также необходимость точной установки гребней в излучателе при сборке. Thus, the disadvantages of the antenna are the large mass and complex manufacturing technology of the ridges, as well as the need for accurate installation of the ridges in the emitter during assembly.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому волноводно-рупорному излучателю является принятый за прототип волноводно-рупорный излучатель, выполненный на круглом волноводе. Внутри этого волновода установлены два гребня, не выходящие в расширяющуюся рупорную часть. Увеличение расстояния между кромками гребней начинается от устройства возбуждения, представляющего собой замкнутый на один из гребней штырь, являющийся продолжением центрального проводника коаксиального фидера, внешний проводник которого образован поверхностью цилиндрического отверстия в другом гребне, так что коаксиальный ввод ортогонален продольной оси излучателя. Так как кромка каждого гребня, примыкающая к стенке волновода, является прямолинейной по всей длине гребня, то изготовление таких гребней и их установка в излучателе являются все-таки сложными, хотя и более простыми, чем в случае рупорной антенны. Кроме того, поскольку в горловине прототипа имеется поперечное сечение, не содержащее гребней, применение гребневого волновода, улучшая согласование, не уменьшает поперечного сечения волновода. Of the known technical solutions, the closest in technical essence and the achieved effect to the claimed waveguide-horn emitter is the prototype waveguide-horn emitter made on a round waveguide. Inside this waveguide are two ridges that do not extend into the expanding horn. The increase in the distance between the edges of the ridges starts from the excitation device, which is a pin closed on one of the ridges, which is a continuation of the central conductor of the coaxial feeder, the outer conductor of which is formed by the surface of the cylindrical hole in the other ridge, so that the coaxial input is orthogonal to the longitudinal axis of the emitter. Since the edge of each ridge adjacent to the waveguide wall is straight along the entire length of the ridge, the manufacture of such ridges and their installation in the emitter are still complicated, although simpler than in the case of a horn antenna. In addition, since in the neck of the prototype there is a cross section that does not contain ridges, the use of a ridge waveguide, improving coordination, does not reduce the cross section of the waveguide.

Таким образом, недостатками прототипа являются:
большие масса и поперечные размеры (применены толстые металлические гребни в волноводе и ортогональный коаксиальный ввод), что нежелательно при размещении на летательных аппаратах и при использовании в антенных решетках; сложность технологии изготовления излучателя (фрезерование гребней с последующим сверлением отверстий) и обеспечения зазора между гребнями при сборке, влияющего на согласование в рабочем диапазоне частот.Thus, the disadvantages of the prototype are:
large mass and transverse dimensions (thick metal ridges in the waveguide and orthogonal coaxial input are used), which is undesirable when placed on aircraft and when used in antenna arrays; the complexity of the manufacturing technology of the emitter (milling ridges followed by drilling holes) and providing a gap between the ridges during assembly, affecting the matching in the working frequency range.

Цель изобретения - уменьшение массы, поперечных размеров и упрощение технологии изготовления излучателя. The purpose of the invention is the reduction of mass, transverse dimensions and simplification of the manufacturing technology of the emitter.

Для достижения цели предлагается волноводно-рупорный излучатель, содержащий отрезок короткозамкнутого металли- ческой пластиной волновода, в Е-плоскости которого, посередине, размещены два продольных металлических гребня с плавно изменяющимся зазором между ними, возбудитель и отверстие для фидера. To achieve the goal, a waveguide-horn emitter is proposed, containing a segment of a short-circuited waveguide metal plate, in the E-plane of which, in the middle, are two longitudinal metal ridges with a smoothly varying gap between them, a pathogen and a hole for the feeder.

Металлические гребни выполнены в виде металлизации одной из сторон диэлектрической пластины, установленной в Е-плоскости излучателя, на другой стороне которой металлизацией выполнен возбудитель в виде изогнутого проводника, пересекающего в проекции зазор между металлическими гребнями на расстоянии λ_в/4 от металлической пластины, где λ_в - максимальная рабочая длина волны в волноводе, причем отверстие для фидера расположено в металлической пластине, а фидер выполнен в виде несимметричной полосковой линии, экраном которой является один из металлических гребней, а полоском - часть изогнутого проводника, расположенная между отверстием для фидера и возбудителем, при этом остальная часть изогнутого проводника, между его концом и возбудителем, вместе с другим металлическим гребнем образует разомкнутый отрезок несимметричной полосковой линии длиной λ_п/4, где λ_п - максимальная рабочая длина волны в полосковой линии.The metal ridges are made in the form of metallization of one of the sides of the dielectric plate installed in the E-plane of the emitter, on the other side of which the exciter is metallized in the form of a curved conductor that intersects in the projection the gap between the metal ridges at a distance of λ _in / 4 from the metal plate, where λ _in - the maximum operating wavelength within the waveguide, and for the feeder opening is arranged in a metal plate, and the feeder is in the form asymmetric stripline, which screen is odi of metal ridges and stripes - part of the curved guide is located between the opening for the feeder and the causative agent, the remainder of the curved conductor between its end and the exciter, along with other metal comb forms open segment asymmetric stripline length λ _n / 4, where λ _p - the maximum working wavelength in the strip line.

Наличие отличительных признаков обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна". The presence of distinctive features determines the compliance of the claimed technical solution to the criterion of "novelty."

Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого волноводно-рупорного излучателя из литературы не известно, поэтому он соответствует критерию "существенные отличия". The combination of distinctive features and properties of the proposed waveguide-horn emitter is not known from the literature, therefore, it meets the criterion of "significant differences".

На фиг.1 показан волноводно-рупорный излучатель, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид спереди; на фиг.3 показана диэлектрическая пластина с нанесенной на ее поверхность металлизацией; на фиг.4 показана обратная поверхность диэлектрической пластины; на фиг.5 - эквивалентная схема устройства возбуждения. Figure 1 shows a waveguide-horn emitter, side view; figure 2 is the same front view; figure 3 shows a dielectric plate with metallization deposited on its surface; figure 4 shows the reverse surface of the dielectric plate; figure 5 is an equivalent circuit of the excitation device.

Волноводно-рупорный излучатель (фиг. 1) содержит отрезок волновода 1 длиной L, короткозамкнутый на одном конце металлической пластиной 2, а другим концом соединенный с рупором 3 длиной С. Внутри излучателя, перпендикулярно широким стенкам волновода, в Е-плоскости, в средней их части установлена диэлектрическая пластина 4 длиной L+C и толщиной W (фиг.2). Металлизация одной из сторон пластины 4 выполнена так, что образует гребни 5, 6 (фиг.2, 3). Между этими гребнями в волноводе 1 имеется зазор 7 постоянной ширины t, переходящий в зазор увеличивающейся ширины. На обратной стороне пластины 4 на участке, примыкающем к пластине 2, имеется возбудитель в виде изогнутого проводника 8, 9 (фиг.4), выполненный металлизацией и пересекающий в проекции зазор 7. Расстояние от пластины 2 до места изгиба возбудителя составляет l₁ = λ_в/4 (фиг.1), где λ_в - максимальная рабочая длина волны в волноводе. Так как возбудитель и гребни находятся на разных сторонах пластины 4, они не имеют гальванического контакта. Выходной (входной) фидер выполнен в виде несимметричной полосковой линии, экраном которой является гребень 6, а полоском - часть 8 изогнутого проводника между возбудителем и отверстием 10 в пластине 2. Таким образом, фидер является соосным относительно излучателя, что уменьшает его поперечные размеры. Часть 9 изогнутого проводника между его концом и возбудителем вместе с гребнем 5 образует разомкнутый отрезок несимметричной полосковой линии длиной l₂ = λ_п/4 (фиг.1), где λ_п - максимальная рабочая длина волны в полосковой линии.The waveguide-horn emitter (Fig. 1) contains a segment of the waveguide 1 of length L, short-circuited at one end with a metal plate 2, and the other end connected to a horn 3 of length C. Inside the emitter, perpendicular to the wide walls of the waveguide, in the E-plane, in their middle part of the installed dielectric plate 4 of length L + C and thickness W (figure 2). The metallization of one of the sides of the plate 4 is made so that it forms ridges 5, 6 (Fig.2, 3). Between these ridges in the waveguide 1 there is a gap 7 of constant width t, passing into a gap of increasing width. On the reverse side of the plate 4 in the area adjacent to the plate 2, there is a pathogen in the form of a curved conductor 8, 9 (Fig. 4), made by metallization and intersecting the gap 7 in the projection. The distance from the plate 2 to the path of the pathogen bend is l ₁ = λ _in / 4 (figure 1), where λ _in - the maximum working wavelength in the waveguide. Since the pathogen and ridges are on different sides of the plate 4, they do not have galvanic contact. The output (input) feeder is made in the form of an asymmetric strip line, the screen of which is the comb 6, and the strip is part 8 of the curved conductor between the pathogen and the hole 10 in the plate 2. Thus, the feeder is coaxial with respect to the emitter, which reduces its transverse dimensions. Part 9 of the curved conductor between its end and the pathogen together with crest 5 forms an open segment of an asymmetric strip line of length l ₂ = λ _p / 4 (Fig. 1), where λ _p is the maximum working wavelength in the strip line.

Толщина металлизации на обеих сторонах пластины 4 составляет V. Пластина 4 установлена в излучателе таким образом, чтобы гребни 5, 6 находились в средней части волновода 1 и рупора 3 с апертурой АхВ (фиг.2). The metallization thickness on both sides of the plate 4 is V. The plate 4 is installed in the emitter so that the ridges 5, 6 are in the middle of the waveguide 1 and the horn 3 with an aperture AxB (figure 2).

Предлагаемый излучатель работает следующим образом. Электромагнитная волна поступает в излучатель (в режиме передачи) через окно в пластине 2 (фиг. 1) по фидеру, образованному полоском 8 и экраном 6 (фиг.2). Она распространяется в виде Т-волны и в месте пересечения возбудителем зазора 7 возбуждает Н-образный волновод 1, по которому волна распространяется в сторону рупора 3 с криволинейными гребнями 5, 6 (фиг.3) и излучается из его апертуры в свободное пространство. Отрезок полосковой линии с проводником 9 (фиг. 4) образует разомкнутый шлейф 11 (фиг.5) длиной l₂ = = λ_п/4, где λ_п - длина волны в полосковой линии. Этот шлейф подключен последовательно относительно нагрузки R в виде волновода 1 с рупором 3 и вместе с короткозамкнутым шлейфом 12 (отрезок волновода от места возбуждения до пластины 2) длиной l₁ = λ_в/4, где λ_в - длина волны в волноводе, включенным параллельно относительно нагрузки R, образует симметрирующе-согласующий трансформатор. Такой трансформатор обеспечивает широкополосное согласование реактивностей.The proposed emitter operates as follows. An electromagnetic wave enters the emitter (in transmission mode) through a window in the plate 2 (Fig. 1) through a feeder formed by a strip 8 and a screen 6 (Fig.2). It propagates in the form of a T-wave and at the point where the pathogen intersects the gap 7, it excites an H-shaped waveguide 1, along which the wave propagates towards the horn 3 with curved ridges 5, 6 (Fig. 3) and is emitted from its aperture into free space. A segment of the strip line with the conductor 9 (Fig. 4) forms an open loop 11 (Fig. 5) of length l ₂ = = λ _p / 4, where λ _p is the wavelength in the strip line. This loop is connected in series with respect to the load R in the form of a waveguide 1 with a horn 3 and together with a short-circuited loop 12 (a segment of the waveguide from the place of excitation to the plate 2) of length l ₁ = λ _in / 4, where λ _in is the wavelength in the waveguide connected in parallel relative to the load R, forms a balancing-matching transformer. Such a transformer provides broadband reactance matching.

Экспериментально исследован предложенный волноводно-рупорный излучатель для частот вблизи 5,5 ГГц. Длина рупора 3 составляет С = 90 мм, апертура АхВ = 93х70 мм. Волновод 1 имеет длину L = 100 мм и поперечное сечение 23х10 мм. Материал пластины 4-полифенилоксид (арилокс марки ФЛАН-2,8) толщиной W = 2 мм. Толщина металлических гребней 5,6 (толщина металлизации пластины 4) составляет V = 0,035 мм. Зазор 7 между гребнями 5, 6 в волноводе 1 составляет t = 0,5 мм, размеры шлейфов возбудителя l₁ = 17 мм и l₂ = 7 мм.The proposed waveguide-horn emitter for frequencies near 5.5 GHz was experimentally investigated. The length of the horn 3 is C = 90 mm, the aperture AxB = 93x70 mm. The waveguide 1 has a length L = 100 mm and a cross section of 23x10 mm. The plate material is 4-polyphenyl oxide (arylox grade FLAN-2.8) with a thickness of W = 2 mm. The thickness of the metal ridges of 5.6 (the thickness of the metallization of the plate 4) is V = 0.035 mm The gap 7 between the ridges 5, 6 in the waveguide 1 is t = 0.5 mm, the dimensions of the paths of the pathogen l ₁ = 17 mm and l ₂ = 7 mm

Излучатель имеет КСВН и диаграммы направленности в двух главных плоскостях (измерены до уровня минус 20 дБ), практически не отличающиеся от тех, которые имеет излучатель-прототип с латунными гребнями и гладкими стенками рупора (излучатель-прототип имел те же размеры А, В, С и L, что и предлагаемый излучатель, а волновод имел поперечное сечение 28,5х12,6 мм). The emitter has an VSWR and radiation patterns in two main planes (measured to minus 20 dB), which are practically no different from those of the prototype emitter with brass combs and smooth horn walls (the prototype emitter had the same dimensions A, B, C and L, as the proposed emitter, and the waveguide had a cross section of 28.5 x 12.6 mm).

По сравнению с прототипом достигнут следующий технико-экономический эффект: масса предлагаемого излучателя уменьшена на 34% (масса излучателя с обычными гребнями составляла 670 г, масса излучателя с печатными гребнями - 420 г); поперечные размеры волноводной части излучателя снижены на 40% за счет замены ортогонального ввода на соосный; точность выполнения гребней, достигаемая при использовании технологии печатных плат на органических диэлектриках, составляет 0,1 мм. Это не менее, чем в 2 раза лучше по сравнению с механическими изготовлением и сборкой. Compared with the prototype, the following technical and economic effect was achieved: the mass of the proposed emitter was reduced by 34% (the mass of the emitter with conventional combs was 670 g, the mass of the emitter with printed combs was 420 g); the transverse dimensions of the waveguide part of the emitter are reduced by 40% by replacing the orthogonal input with coaxial; the accuracy of the crests achieved using the technology of printed circuit boards on organic dielectrics is 0.1 mm It is not less than 2 times better in comparison with mechanical manufacturing and assembly.

Claims

A waveguide-horn radiator containing a segment of a short-circuited waveguide metal plate, in the E-plane of which, in the middle, are two longitudinal metal ridges with a smoothly varying gap between them, the pathogen and the feeder hole, characterized in that, in order to reduce its mass, transverse dimensions and simplification of manufacturing technology, metal ridges are made in the form of metallization of one of the sides of the dielectric plate installed in the E-plane of the emitter, on the other side of which metal the exciter was made in the form of a curved conductor crossing the projection gap between the metal ridges at a distance of λ _in / 4 from the metal plate, where λ _in is the maximum working wavelength in the waveguide, the hole for the feeder is located in the metal plate, and the feeder is made in the form asymmetrical strip line, the screen of which is one of the metal ridges, and the strip is the part of the curved conductor located between the feeder hole and the pathogen, while the rest of the curved of the water body, between its end and the pathogen, together with another metal ridge forms an open segment of an asymmetric strip line with a length of λ _p / 4, where λ _p is the maximum working wavelength in the strip line.