RU212979U1

RU212979U1 - C-band horn antenna made of carbon composite material with a polarizer

Info

Publication number: RU212979U1
Application number: RU2021139135U
Authority: RU
Inventors: Григорий Романович Беляев
Original assignee: Григорий Романович Беляев
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-08-17

Abstract

Предлагаемая рупорная антенна С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором 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. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание рупорной антенны из высокопрочного проводящего материала с низким удельным весом, стойкого к атмосферному воздействию, обладающего стабильностью характеристик и не подверженного температурным деформациям. Волноводная и рупорная части антенны изготовлены из проводящего углекомпозитного материала. Для достижения изотропных свойств проводимости рабочая поверхность антенны изготовлена из углекомпозитной ткани с перпендикулярным переплетением волокон. Для придания прочности конструкции поверх ткани выполнена намотка углекомпозитной нити с послойной пропиткой эпоксидной смолой, модифицированной графеновым порошком. 6 ил.

The proposed C-band horn antenna made of carbon composite material with a polarizer belongs to the field of antenna technology and can be used in radio engineering systems for various purposes both independently and as a basic element of the feed of mirror and lens antennas to provide signal reception and transmission. The problem to be solved by the utility model is the creation of a horn antenna from a high-strength conductive material with a low specific gravity, resistant to weathering, having stable characteristics and not subject to temperature deformations. The waveguide and horn parts of the antenna are made of conductive carbon composite material. To achieve isotropic conduction properties, the working surface of the antenna is made of carbon-composite fabric with a perpendicular weave of fibers. To give strength to the structure, a carbon-composite thread was wound over the fabric with layer-by-layer impregnation with epoxy resin modified with graphene powder. 6 ill.

Description

Предлагаемая рупорная антенна С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором 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.The proposed C-band horn antenna made of carbon composite material with a polarizer belongs to the field of antenna technology and can be used in radio engineering systems for various purposes both independently and as a basic element of the feed of mirror and lens antennas to provide signal reception and transmission.

Проведенный патентный поиск показал, что известен способ создания рупорных излучателей, изготовленных особым способом соединения деталей при помощи клея (RU 2503101. Рупорный излучатель и способ его изготовления). При этом одна деталь излучателя металлическая, а вторая изготовлена из композиционных материалов. Данное изобретение направлено на повышение прочности излучателя в условиях знакопеременных температур. Технология клеевого соединения металлических компонентов рупорной антенны так же применяется в изобретении (RU 2466484. Рупорный излучатель и способ его изготовления). Известны изобретения, в которых описано использование углекомпозитных материалов для создания конструкционных элементов антенн, волноводов, рефлекторов и корпусной аппаратуры (RU 2427949 Трансформируемая антенна зонтичного типа космического аппарата). Следует отметить, что в космических антеннах углекомпозитные материалы применяются для снижения веса аппаратуры, придания прочности несущим элементам конструкций и исключения влияния температурных деформаций. При этом к композитным материалам не предъявлялись требования электропроводности. Принципиальным отличием в создании антенных устройств с высокой стабильностью и низким удельным весом является применение проводящих углекомпозитных материалов. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой рупорной антенне С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором является изобретение (RU 2577918. Антенно-фидерное устройство из углекомпозитного материала и способ его изготовления). Принятая за прототип рупорная антенна изготовлена путем круговой намотки углекомпозитной нити на заготовку, волокна которой расположены в плоскости, перпендикулярной оси волноводного элемента. К недостаткам антенно-фидерного устройства из углекомпозитного материала следует отнести то, что при намотке нити на заготовку нет возможности контролировать наличие контактных сопротивлений между отдельными витками, которое приводит к анизотропии проводимости стенок волновода в СВЧ диапазоне и искажает характеристики антенны, что отмечено авторами изобретения (Дугин Н.А., Заборонкова Т.М., Мясников Е.Н. Исследование поляризационных характеристик углекомпозитной антенны L диапазона // Великие реки 2016: Материалы международной научно-методической конференции. ФГБОУ ВО «ВГУВТ».-2016.-URL://вф-река-море-рф/2016/PDF/119.pdf (дата обращения 24.12.2021)).A patent search has shown that there is a known method for creating horn emitters made in a special way of connecting parts with glue (RU 2503101. Horn emitter and method for its manufacture). In this case, one part of the emitter is metal, and the second is made of composite materials. This invention is aimed at increasing the strength of the emitter under conditions of sign-variable temperatures. The technology of adhesive bonding of metal components of a horn antenna is also used in the invention (RU 2466484. Horn radiator and method for its manufacture). Inventions are known that describe the use of carbon composite materials to create structural elements of antennas, waveguides, reflectors and body equipment (RU 2427949 Convertible umbrella-type antenna of a spacecraft). It should be noted that carbon-composite materials are used in space antennas to reduce the weight of the equipment, to give strength to the load-bearing structural elements and to eliminate the influence of temperature deformations. At the same time, electrical conductivity requirements were not imposed on composite materials. The fundamental difference in the creation of antenna devices with high stability and low specific gravity is the use of conductive carbon composite materials. The closest in technical essence to the proposed C-band horn antenna made of carbon composite material with a polarizer is the invention (RU 2577918. Antenna-feeder device made of carbon composite material and method for its manufacture). The horn antenna adopted as a prototype is made by circular winding of a carbon-composite filament on a workpiece, the fibers of which are located in a plane perpendicular to the axis of the waveguide element. The disadvantages of the antenna-feeder device made of carbon composite material include the fact that when winding the thread on the workpiece, it is not possible to control the presence of contact resistance between individual turns, which leads to anisotropy of the conductivity of the waveguide walls in the microwave range and distorts the characteristics of the antenna, which is noted by the authors of the invention (Dugin N.A., Zaboronkova T.M., Myasnikov E.N. Investigation of the polarization characteristics of the L-band carbon composite antenna // Great Rivers 2016: Proceedings of the international scientific and methodological conference. vf-river-sea-rf/2016/PDF/119.pdf (accessed 12/24/2021)).

Рупорная антенна С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором состоит из последовательно соединенных круглой волноводной части и рупора. Технический результат заявленного решения заключается в обеспечении изотропности проводимости рабочей поверхности и стабильности электромагнитных характеристик антенны в СВЧ-диапазоне путем выполнения внутренней поверхности волновода и рупора из углекомпозитной ткани с перпендикулярным переплетением волокон.The C-band horn antenna made of carbon composite material with a polarizer consists of a round waveguide part and a horn connected in series. The technical result of the claimed solution is to ensure the isotropy of the conductivity of the working surface and the stability of the electromagnetic characteristics of the antenna in the microwave range by making the inner surface of the waveguide and the horn from carbon composite fabric with a perpendicular weave of fibers.

Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.

Фиг. 1 - внешний вид макета антенны С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором (слева) и металлического аналога (справа).Fig. 1 - external view of the layout of the C-band antenna made of carbon composite material with a polarizer (left) and a metal analogue (right).

Фиг. 2 - рабочая поверхность рупорной антенна С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором.Fig. 2 - working surface of a C-band horn antenna made of carbon composite material with a polarizer.

Фиг. 3 - характеристики КСВн рупорных антенн: сплошной линией обозначена характеристика металлической антенны, штриховой для антенны С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором.Fig. 3 - VSWR characteristics of horn antennas: a solid line indicates the characteristic of a metal antenna, a dashed line for a C-band antenna made of carbon composite material with a polarizer.

Фиг. 4 - нормированные характеристики диаграмм направленности рупорных антенн: сплошной линией обозначена характеристика металлической антенны, штриховой для антенны С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором.Fig. 4 - normalized characteristics of the radiation patterns of horn antennas: a solid line indicates the characteristic of a metal antenna, a dashed line for a C-band antenna made of carbon composite material with a polarizer.

Фиг. 5 - поляризационная диаграмма металлической рупорной антенны.Fig. 5 is a polarization diagram of a metal horn antenna.

Фиг. 6 - поляризационная диаграмма рупорной антенны С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором.Fig. 6 is a polarization diagram of a carbon composite C-band horn antenna with a polarizer.

Экспериментально исследован макет заявляемого устройства с размерами: длина волноводной части 80 мм, диаметр 42 мм, длинна рупора 46 мм, раскрыв рупора 50,5 мм. Отличительной особенностью антенны является то, что на торце волноводной части антенны установлен фланец для подключения запитывающего устройства. Подстройка антенны на рабочую частоту осуществляется при помощи установленного на стенках волновода поляризационного устройства, состоящего из шести подвижных металлических штырей с резьбой м4. Расстояние между поляризационными штырями составляет 30 мм, расстояние от фланца до первой пары штырей 13 мм. Для запитки антенны использовалось устройство, состоящее из двух ортогональных диполей, развернутых относительно поляризационного устройства под углом 45°. В качестве эталонного образца использовалась металлическая антенна, изготовленная традиционным способом с аналогичными геометрическими размерами. Внешний вид макета полезной модели и металлического аналога представлен на фотографии фиг. 1. Фото внутренней, рабочей поверхности волновода из ткани представлено на фиг. 2. По результатам исследования коэффициента стоячей волны фиг. 3 и диаграммы направленности фиг. 4 установлено, что вышеуказанные электромагнитные параметры антенн оказались близки (сплошной линией обозначена характеристика металлической антенны, штриховой - углекомпозитного макета). Коэффициент стоячей волны по напряжению в рабочем диапазоне частот не превышал значения 1.4. На основании экспериментальных исследований поляризационных характеристик рупорной антенны С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором (фиг. 5) и металлического аналога (фиг.6) сделано заключение об изотропных свойствах проводимости рабочей поверхности углекомпозитной антенны. В отличие от прототипа, в работе макета полезной модели не наблюдается нарушения работы поляризационного устройства.Experimentally investigated the model of the proposed device with dimensions: length of the waveguide part 80 mm, diameter 42 mm, horn length 46 mm, horn opening 50.5 mm. A distinctive feature of the antenna is that a flange is installed at the end of the waveguide part of the antenna for connecting a power device. The antenna is tuned to the operating frequency using a polarization device mounted on the walls of the waveguide, which consists of six movable metal pins with an M4 thread. The distance between the polarizing pins is 30 mm, the distance from the flange to the first pair of pins is 13 mm. The antenna was powered by a device consisting of two orthogonal dipoles turned relative to the polarization device at an angle of 45°. A metal antenna made in the traditional way with similar geometric dimensions was used as a reference sample. The appearance of the layout of the utility model and the metal analogue is shown in the photograph of Fig. 1. A photo of the inner, working surface of a fabric waveguide is shown in Fig. 2. According to the results of the study of the standing wave coefficient of FIG. 3 and the radiation pattern of FIG. 4 it is established that the above electromagnetic parameters of the antennas turned out to be close (the solid line indicates the characteristic of the metal antenna, the dashed line indicates the characteristic of the carbon composite model). The voltage standing wave ratio in the operating frequency range did not exceed 1.4. Based on experimental studies of the polarization characteristics of the C-band horn antenna made of carbon-composite material with a polarizer (Fig. 5) and a metal analogue (Fig. 6), a conclusion was made about the isotropic conductivity properties of the working surface of the carbon-composite antenna. Unlike the prototype, there is no disruption in the operation of the polarization device in the operation of the utility model layout.

Заявляемая рупорная антенна С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором конструктивно проста. Для ее изготовления необходимы широко применяемые материалы, и она может быть изготовлена на среднетехническом предприятии. По сравнению с прототипом, предлагаемая рупорная антенна С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором работает в более высоком частотном диапазоне. Центральная рабочая частота макета полезной модели - 5 ГГц, по сравнению с 1,6 ГГц для прототипа. При этом не происходит изменения поляризации излучаемого антенной сигнала за счет изотропии проводимости рабочей поверхности стенок волновода и рупора.The inventive C-band horn antenna made of carbon composite material with a polarizer is structurally simple. Its manufacture requires widely used materials, and it can be manufactured at a medium-sized technical enterprise. Compared with the prototype, the proposed C-band horn antenna made of carbon composite material with a polarizer operates in a higher frequency range. The center operating frequency of the utility model mock-up is 5 GHz, compared to 1.6 GHz for the prototype. In this case, there is no change in the polarization of the signal emitted by the antenna due to the isotropy of the conductivity of the working surface of the walls of the waveguide and the horn.

Claims

C-band horn antenna made of carbon-composite material with a polarizer, consisting of a round waveguide part and a horn connected in series, the inner surface of which is made of isotropic carbon-composite fabric with perpendicular interlacing of fibers.