RU2052876C1

RU2052876C1 - Horn aerial

Info

Publication number: RU2052876C1
Authority: RU
Inventors: Н.С. Маркун; А.Н. Подлужный
Original assignee: Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт
Priority date: 1991-04-29
Filing date: 1991-04-29
Publication date: 1996-01-20

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: horn aerial includes hollow metal waveguide of round section, dielectric radiator manufactured in the form of hollow dielectric waveguide and dielectric horn. EFFECT: reduced cross polarization component within wide frequency range. 9 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве облучателя зеркальных антенн. The invention relates to radio engineering and can be used as an irradiator of mirror antennas.

Известны рупорные антенны, выполненные из прямоугольных волноводов со ступенчатыми переходами к цилиндрическим. Ступенчатые переходы обеспечивают возбуждение многомодового режима с целью реализации симметричной диаграммы направленности. Однако рабочая полоса частот при этом оказывается узкой из-за различных частотных характеристик отдельных типов волн (5-10%). Known horn antennas made of rectangular waveguides with step transitions to cylindrical. Step transitions provide the excitation of a multimode mode in order to realize a symmetrical radiation pattern. However, the working frequency band is narrow due to the different frequency characteristics of individual types of waves (5-10%).

Известна рупорная антенна, содержащая первую секцию полого волновода круглого сечения и вторую секцию полого волновода в виде усеченного конуса с заданным раскрывом для уменьшения разности фаз между различными типами волн, распространяющихся в третьей секции. Третья секция электрическим связана с второй. Четвертая секция выполнена в виде полого волновода в виде усеченного конуса с другим заданным значением угла раскрыва. Устройство также содержит адаптер для ввода-вывода электромагнитной энергии. При возбуждении электромагнитной энергии первой секции электромагнитная волна распространяется в виде волны ТЕ типа. Диаметр первой секции ограничивает возникновение и распространение других типов волн. При прохождении ступеньки во вторую секцию преобразуется часть энергии волны ТЕ в ТМ. Волны ТЕ и ТМ, проходя через третью секцию, излучаются в пространство. Разность углов секций обеспечивает требуемый сдвиг фаз в раскрыве четвертой секции. Фазовый сдвиг рассчитывается по соотношению, учитывающему размеры секций устройства и углов раскрыва, что обеспечивает синфазное сложение возбуждаемых типов волн на раскрыве рупора. Known horn antenna, containing the first section of a hollow waveguide of circular cross section and the second section of a hollow waveguide in the form of a truncated cone with a given opening to reduce the phase difference between different types of waves propagating in the third section. The third section is electrically connected to the second. The fourth section is made in the form of a hollow waveguide in the form of a truncated cone with another specified value of the aperture angle. The device also contains an adapter for input-output of electromagnetic energy. When the electromagnetic energy of the first section is excited, the electromagnetic wave propagates in the form of a TE wave. The diameter of the first section limits the occurrence and propagation of other types of waves. When a step passes into the second section, a part of the TE wave energy is converted to TM. Waves TE and TM, passing through the third section, are emitted into space. The difference in the angles of the sections provides the required phase shift in the aperture of the fourth section. The phase shift is calculated by the ratio taking into account the dimensions of the device sections and the opening angles, which provides in-phase addition of the excited types of waves at the mouth of the horn.

Также известен многодиапазонный рупорный облучатель, предназначенный для работы на пяти частотах при двух линейных поляризациях. Имеется коаксиальная часть, волноводная и конусная части. Развязка сигналов нижних частот обеспечивается применением пространственно-ортогональных зондов, подключаемых к коаксиальным секциям с различными наружными диаметрами. В результате скачкообразного изменения диаметра в секции образуется замкнутая цепь для частоты 6,6 ГГц. В коаксиальную секцию встроен узкополосный фильтр, обеспечивающий развязку с частотой 10,7 ГГц. Развязку между сигналами более высоких частот обеспечивают за счет применения полосовых и режекторных фильтров. Имеется стержневой диэлектрический излучатель, размещенный в полости ребристого волновода по центру, обеспечивающий коротковолновую часть диапазона. Рупор работает в нижней полосе частот. Для исключения влияния сигнала в волноводе и диэлектрическом стержне подбирается размер ребристого волновода. Also known is a multi-band horn irradiator designed to operate at five frequencies with two linear polarizations. There is a coaxial part, a waveguide and a cone part. Decoupling of low-frequency signals is ensured by the use of spatially orthogonal probes connected to coaxial sections with different outer diameters. As a result of a sudden change in diameter, a closed circuit is formed in the section for a frequency of 6.6 GHz. A narrow-band filter is built into the coaxial section, providing isolation with a frequency of 10.7 GHz. Decoupling between signals of higher frequencies is ensured by the use of band-pass and notch filters. There is a rod dielectric emitter located in the center of the ribbed waveguide cavity, providing the short-wave part of the range. The horn operates in the lower frequency band. To eliminate the influence of the signal in the waveguide and the dielectric rod, the size of the ribbed waveguide is selected.

В облучателе реализуется несколько типов волн в круглом и конечном сечениях. Стержень используется для симметрирования диаграммы направленности в двух плоскостях, так как поле концентрируется возле стержня и ослабляется вдоль стенок рупора, но при этом снижается КПД рупора из-за потерь в диэлектрике. Недостатком известных устройств является большой уровень кроссполяризационной составляющей поля. The irradiator implements several types of waves in circular and final sections. The rod is used to symmetry the radiation pattern in two planes, since the field is concentrated near the rod and weakens along the walls of the horn, but the efficiency of the horn is reduced due to losses in the dielectric. A disadvantage of the known devices is the high level of cross-polarization component of the field.

Целью изобретения является уменьшение кроссполяризационной составляющей излучения в широком диапазоне частот и получение заданной (оптимальной) диаграммы направленности в Е и Н плоскостях. The aim of the invention is to reduce the cross-polarization component of the radiation in a wide frequency range and obtain a given (optimal) radiation pattern in the E and H planes.

Это достигается тем, что рупорное антенное устройство содержит секцию из полого металлического волновода круглого сечения к концу которого присоединен полый металлический волновод в виде конического рупора и диэлектрического излучателя, который выполнен в виде полого диэлектрического волновода круглого сечения, расположенного внутри полого металлического волновода и конического рупора, и диэлектрического рупора, угол которого равен углу раскрыва конического рупора. Причем диэлектрический рупор расположен внутри конического рупора и соединен с внешней поверхностью полого диэлектрического волновода круглого сечения в плоскости горловины конического рупора. Диаметр полого диэлектрического волновода меньше раскрыва диэлектрического рупора в 1,8-2,2 раза, а длина выступающей части полого диэлектрического волновода круглого сечения относительно раскрыва диэлектрического рупора выбрана равной половине длины волны рабочего диапазона. This is achieved by the fact that the horn antenna device contains a section of a hollow metal waveguide of circular cross section to the end of which a hollow metal waveguide in the form of a conical horn and a dielectric radiator is connected, which is made in the form of a hollow dielectric waveguide of circular cross section located inside a hollow metal waveguide and a conical horn, and a dielectric horn whose angle is equal to the opening angle of the conical horn. Moreover, the dielectric horn is located inside the conical horn and connected to the outer surface of the hollow dielectric waveguide of circular cross section in the plane of the neck of the conical horn. The diameter of the hollow dielectric waveguide is smaller than the aperture of the dielectric horn by 1.8-2.2 times, and the length of the protruding part of the hollow dielectric waveguide of circular cross section relative to the aperture of the dielectric horn is chosen to be equal to half the wavelength of the operating range.

Такое выполнение устройства обеспечивает создание и суммирование двух типов волн ТЕ и ТМ так, чтобы уменьшить кроссполяризационные составляющие излучения и получить оптимальную диаграмму направленности, за счет образования волн с различными фазовыми скоростями распространения и возможности их суммирования. This embodiment of the device provides the creation and summation of two types of waves TE and TM so as to reduce the cross-polarization components of the radiation and to obtain the optimal radiation pattern due to the formation of waves with different phase propagation velocities and the possibility of their summation.

На фиг.1 изображено рупорное антенное устройство; на фиг.2 распределение волн типа ТЕ в волноводе; на фиг.3 распределение волн типа ТМ в волноводе; на фиг.4 распределение суммы волн ТЕ и ТМ в раскрыве рупора; на фиг.5 ортогональные составляющие волн ТЕ и ТМ. Figure 1 shows a horn antenna device; figure 2 distribution of waves of type TE in the waveguide; figure 3 distribution of waves of type TM in the waveguide; figure 4 distribution of the sum of the waves of TE and TM in the aperture of the horn; 5, the orthogonal components of the TE and TM waves.

Предлагаемое рупорное устройство содержит секцию 1 полого металлического волновода круглого сечения и вторую секцию волновода в виде усеченного конуса рупора 2. Рупор 2 электрически связан с секцией 1. В месте перехода секции волновода в рупор внутри расположен согласованный полый диэлектрический волновод круглого сечения 3. Также имеется диэлектрический рупор 4, угол раскрыва которого равен углу раскрыва конического рупора 2. Диэлектрический рупор 4 расположен на внутренней стенке конического рупора 2 и скреплен со стенкой полого диэлектрического волновода 3. The proposed horn device comprises a section 1 of a hollow metal waveguide of circular cross section and a second section of the waveguide in the form of a truncated cone of the horn 2. The horn 2 is electrically connected to the section 1. At the junction of the waveguide section, a matched hollow dielectric waveguide of circular cross section is located inside 3. There is also a dielectric horn 4, the opening angle of which is equal to the opening angle of the conical horn 2. The dielectric horn 4 is located on the inner wall of the conical horn 2 and is bonded to the wall of the hollow dielectric 3-parameter of the waveguide.

Выбор размеров металлического волновода 1 определяется из условия распространения в нем электромагнитной энергии, что возможно, если его минимальный радиус a определяется из соотношения
a

0,293λ где λ для волны.The choice of the dimensions of the metal waveguide 1 is determined from the condition for the propagation of electromagnetic energy in it, which is possible if its minimum radius a is determined from the relation
a

0.293λ where λ is for the wave.

Угол раскрыва диэлектрического рупора определяется углом раскрыва металлического конического рупора, определяемого условием получения необходимой ширины диаграммы направленности в Е и Н плоскостях
2θ 60

2θ′ 70

где λ длина волны; θ ширина диаграммы направленности в Н плоскости; θ' ширина диаграммы направленности в Е плоскости; D диаметр раскрыва рупора.The aperture angle of the dielectric horn is determined by the aperture angle of the metal conical horn, determined by the condition for obtaining the necessary radiation pattern width in the E and H planes
2θ 60

2θ ′ 70

where λ is the wavelength; θ beam width in the H plane; θ 'the width of the radiation pattern in the E plane; D is the aperture of the mouthpiece.

Установлено экспериментально, что диаметр полого диэлектрического волновода 3 должен быть в 1,8-2,2 раза меньше диаметра раскрыва диэлектрического рупора 4 для реализации заданного процесса. Выступ полого диэлектрического волновода круглого сечения 3 относительно плоскости раскрыва диэлектрического рупора 4 равен по длине 1/2 длины средней волны диапазона. It was established experimentally that the diameter of the hollow dielectric waveguide 3 should be 1.8-2.2 times smaller than the diameter of the aperture of the dielectric horn 4 to implement a given process. The protrusion of a hollow dielectric waveguide of circular cross section 3 relative to the aperture plane of the dielectric horn 4 is equal to 1/2 of the average wavelength of the range.

Выбором толщины стенок диэлектрического волновода круглого сечения (например 3 мм) и диэлектрической постоянной материала (например ε 2,5 полистирол) регулируют уровень кроссполяризационных составляющих и ширину диаграммы направленности. The choice of the wall thickness of the circular dielectric waveguide (for example 3 mm) and the dielectric constant of the material (for example ε 2.5 polystyrene) controls the level of cross-polarization components and the width of the radiation pattern.

При возбуждении основной волны типа ТЕ она распространяется по металлическому волноводу 1. Конический рупорный волновод 2 является согласующим устройством между свободным пространством и полым металлическим волноводом 1, благодаря которому волна плавно переходит в пространство. Одновременно при падении основной волны ТЕ на диэлектрический полый волновод 3 (при круговой симметрии системы) возбуждается волна, имеющая такую же азимутальную зависимость, как и основная волна, т.е. типа ТМ. Величина фазовой скорости распространяется U_ф для разных типов волн, определяется исходя из соотношения через критическую длину волны для них
U_ф=

где С скорость света, для волны ТЕ₁₁ λ_кр ≠ 3,413, для волны ТМ₁₁ λ_кр 1,64.When a main wave of the TE type is excited, it propagates along the metal waveguide 1. The conical horn waveguide 2 is a matching device between the free space and the hollow metal waveguide 1, due to which the wave smoothly passes into space. Simultaneously, when the main TE wave is incident on the dielectric hollow waveguide 3 (with circular symmetry of the system), a wave is excited that has the same azimuthal dependence as the main wave, i.e. type TM. The magnitude of the phase velocity propagates U _f for different types of waves, is determined based on the ratio through the critical wavelength for them
U _f =

where C is the speed of light, for the TE ₁₁ wave λ _cr ≠ 3.413, for the TM wave ₁₁ λ _cr 1.64.

Вследствие образования волн с разными фазовыми скоростями образуется суперпозиция полей этих волн в рупоре. Векторы волн типа ТЕ и ТМ направлены противоположно в плоскости раскрыва диэлектрического волновода. При разности их фаз равной целому числу 2 π реализуется взаимная компенсация ортогональных составляющих Е этих волн. В случае, если разность фаз ΔΦ=2π n, то компенсация не происходит. Due to the formation of waves with different phase velocities, a superposition of the fields of these waves in the horn is formed. Wave vectors of types TE and TM are directed oppositely in the aperture plane of the dielectric waveguide. When their phase difference is an integer 2 π, mutual compensation of the orthogonal components E of these waves is realized. If the phase difference ΔΦ = 2π n, then compensation does not occur.

Выбор соотношения раскрывов полого диэлектрического волновода и диэлектрического рупора обусловлен данными эксперимента, в которых (см.фиг. 6,7,8,9) аргументируется оптимальность этой величины. The choice of the ratio of the openings of the hollow dielectric waveguide and the dielectric horn is determined by the experimental data, in which (see Fig. 6,7,8,9) the optimality of this quantity is argued.

Подбор размеров диэлектрического полого волновода, а также диэлектрического рупора осуществлялся экспериментально. Конический металлический рупор, с помощью которого производились измерения кроссполяризационных составляющих диаграмм направленности и коэффициента усиления, имел следующие параметры: диаметр раскрыва 40 мм, угол раскрыва 21, общая длина рупора 140 мм. Были изготовлены 5 вариантов диэлектрического полого волновода, имеющего различные габариты. Диаметр раскрыва диэлектрического рупора был больше диаметра полого диэлектрического волновода в 1,5; 1.8; 2.0; 2,2; 2,5 раза. Материал диэлектрического полого волновода полистирол с ε 2,5, толщина стенок диэлектрического волновода 2 мм. The selection of the dimensions of the dielectric hollow waveguide, as well as the dielectric horn, was carried out experimentally. The conical metal horn, which was used to measure cross-polarization components of the radiation patterns and gain, had the following parameters: aperture diameter of 40 mm, aperture angle of 21, and a total length of the horn of 140 mm. Five variants of a dielectric hollow waveguide having various dimensions were manufactured. The aperture diameter of the dielectric horn was 1.5 times greater than the diameter of the hollow dielectric waveguide; 1.8; 2.0; 2.2; 2.5 times. The material of the dielectric hollow waveguide is polystyrene with ε 2.5, the wall thickness of the dielectric waveguide is 2 mm.

Были проведены измерения электрических характеристик рупорной конической антенны без диэлектрического полого волновода и диэлектрического рупора. Результаты измерения совпали с расчетными данными. Ширина диаграммы направленности по уровню 3 дБ в плоскости Е составила 46-47^о в Н плоскости 39-40^о, коэффициент усиления 11 дБ, уровень кроссполяризации 16-18 дБ. После этого был установлен полый диэлектрический волновод и диэлектрический рупор и были измерены эти же электрические характеристики такой антенны. На фиг.6 представлены результаты измерения уровня кроссполяризационной составляющей, где кривая 1 рупор без диэлектрического волновода и диэлектрического рупора; кривая 2 конический рупор с диэлектрическими волноводом и рупором при соотношении их диаметров 1,5; кривая 3 1,8; кривая 4 2,0; кривая 5 2,2, кривая 6 2,5.Measurements were made of the electrical characteristics of a cone horn antenna without a dielectric hollow waveguide and dielectric horn. The measurement results coincided with the calculated data. The width of the radiation pattern at a level of 3 dB in the E plane was 46-47 ^about in the N plane 39-40 ^about , the gain is 11 dB, the level of cross-polarization is 16-18 dB. After that, a hollow dielectric waveguide and dielectric horn were installed and the same electrical characteristics of such an antenna were measured. Figure 6 presents the results of measuring the level of cross-polarization component, where curve 1 is a horn without a dielectric waveguide and dielectric horn; curve 2 a conical horn with a dielectric waveguide and a horn with a ratio of their diameters of 1.5; curve 3 1.8; curve 4 2.0; curve 5 2.2, curve 6 2.5.

Как видно из представленных данных, оптимальное соотношение диаметров раскрывов диэлектрического рупора и полого диэлектрического волновода составило величину 1,8-2,2, при этом величина выступающей части полого диэлектрического волновода из плоскости раскрыва диэлектрического рупора составила величину λ_ср/2.As can be seen from the data presented, the optimal ratio of the diameters of the openings of the dielectric horn and the hollow dielectric waveguide was 1.8-2.2, while the size of the protruding part of the hollow dielectric waveguide from the aperture plane of the dielectric horn was λ _cf / 2.

После измерения величины кроссполяризационной составляющей, были измерены диаграммы направленности. Оценка ширины диаграммы направленности по уровню 2-3 дБ и по уровню 10 дБ. На фиг.7 представлены диаграммы направленности конического металлического рупора без диэлектрических волновода и рупора. Как видно из представленных результатов, ширина диаграммы в Е и Н плоскостях отличается по уровню -3 дБ на 6-7^о. После этих измерений в горловину рупора был установлен диэлектрический полый волновод и диэлектрический рупор с габаритами, определенными как оптимальные при измерениях кроссполяризационной составляющей. На фиг.8 представлены результаты измерения ширины диаграммы направленности в двух плоскостях Е и Н. Как видно из полученных результатов диаграммы направленности в двух плоскостях имеют симметрию до уровня порядка 18-20 дБ. При измерении диаметров диэлектрического рупора и диэлектрического полого волновода можно получить различные ширины диаграмм направленности в плоскостях Е и Н. Таким образом можно оптимизировать ширину диаграммы направленности конической рупорной антенны.After measuring the cross-polarization component, radiation patterns were measured. Assessment of the width of the radiation pattern at the level of 2-3 dB and at the level of 10 dB. Figure 7 presents the radiation patterns of a conical metal horn without a dielectric waveguide and horn. As seen from these results, charts width E and H planes differs by -3 dB to ^about 6-7. After these measurements, a dielectric hollow waveguide and a dielectric horn were installed in the mouth of the horn with dimensions determined to be optimal when measuring the cross-polarization component. On Fig presents the results of measuring the width of the radiation pattern in two planes E and N. As can be seen from the obtained results, radiation patterns in two planes have symmetry to a level of the order of 18-20 dB. When measuring the diameters of the dielectric horn and the dielectric hollow waveguide, one can obtain different radiation patterns in the E and H planes. Thus, the width of the radiation pattern of the conical horn antenna can be optimized.

При внесении диэлектрического полого волновода в горловину конической рупорной антенны возникают потери сигнала. При измерении величины коэффициента усиления рупорной конической антенны были определены величины этих потерь. На фиг. 9 представлены результаты измерения коэффициента усиления, где кривая 1 рупор без диэлектрического полого волновода, кривая 2 с ним. Как видно из полученных результатов, величина потерь из-за диэлектрического волновода составляет величину 0,3-0,5 дБ. Однако за счет оптимизации ширины диаграммы направленности в двух плоскостях при использовании такой антенны в качестве облучателя зеркальной антенны можно получить выигрыш в коэффициенте усиления зеркальной антенны. When a dielectric hollow waveguide is inserted into the neck of a conical horn antenna, signal loss occurs. When measuring the magnitude of the gain of the horn conical antenna, the magnitudes of these losses were determined. In FIG. 9 shows the results of measuring the gain, where curve 1 is a horn without a dielectric hollow waveguide, curve 2 is with it. As can be seen from the results, the value of losses due to the dielectric waveguide is 0.3-0.5 dB. However, by optimizing the width of the radiation pattern in two planes when using such an antenna as an irradiator of a mirror antenna, you can get a gain in the gain of the mirror antenna.

Все измерения проводились в полосе частот, определяемой как 15% Измерения кроссполяризационной составляющей проводились в "косом" сечении передающего рупора. Результаты представлены на фиг.6. All measurements were carried out in a frequency band defined as 15%. The cross-polarization component was measured in an “oblique” section of a transmitting horn. The results are presented in Fig.6.

Claims

HORN ANTENNA DEVICE, consisting of a hollow metal waveguide of circular cross section, to one end of which a hollow metal waveguide in the form of a conical horn and a dielectric radiator is connected, characterized in that, in order to reduce the cross-polarization component of radiation in a wide frequency range and optimize the radiation pattern width , the dielectric emitter is made in the form of a hollow dielectric waveguide of circular cross section located inside the hollow metal waveguide and conic of a horn and a dielectric horn located inside the conical horn, a dielectric horn, the opening angle of which is chosen equal to the opening angle of the conical horn, is connected to the outer surface of the hollow dielectric waveguide of circular cross section in the plane of the neck of the conical horn, while the diameter of the hollow dielectric waveguide of circular cross section is selected smaller the opening diameter of the dielectric horn 1.8 - 2.2 times, and the length of the protruding part of the hollow dielectric waveguide of circular cross section relative to the open at the same time, the dielectric horn was chosen to be equal to half the average wavelength of the operating wavelength range.