RU2369949C2

RU2369949C2 - Horn antenna

Info

Publication number: RU2369949C2
Application number: RU2007123296/09A
Authority: RU
Inventors: Андрей Альбертович Елизаров (RU); Андрей Альбертович Елизаров
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2009-10-10
Also published as: RU2007123296A

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: invention is related to antenna-feeder and microwave engineering and may be used in communication equipment, radiometry and devices of microwave heating. Technical result is achieved by the fact that horn antenna comprises horn with grooves threaded on its internal surface in the form of single- or multi-turn spirals. Spirals are arranged with permanent pitch, equal to half of average wave length, depth of grooves is permanent and is equal to quarter of wave average length, and width of grooves in the beginning of spiral is equal to its depth, and further it linearly reduces as horn opening increases. Antenna horn may have conical or pyramidal shape.

EFFECT: leveling of directivity pattern in wide range of frequencies, with various polarisation of field.

3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к антенно-фидерной и микроволновой технике и может быть использовано в аппаратуре связи, радиометрии и устройствах СВЧ нагрева.The invention relates to antenna-feeder and microwave technology and can be used in communication equipment, radiometry and microwave heating devices.

Известны рупорные антенны, выполненные в виде отрезков прямоугольного или круглого волноводов с присоединенными к ним, соответственно, пирамидальным или коническим рупорами [Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны, ч.II. «Антенны». М.: Сов. радио, 1969]. Недостатком таких антенн является довольно сильное отражение волн от краев рупора, возникающее вследствие разницы волновых сопротивлений самого рупора и внешнего воздушного пространства.Known horn antennas made in the form of segments of a rectangular or circular waveguides with attached to them, respectively, pyramidal or conical horns [Belotserkovsky GB Fundamentals of Radio Engineering and Antennas, Part II. "Antennas." M .: Sov. radio, 1969]. The disadvantage of such antennas is a rather strong reflection of the waves from the edges of the speaker, arising from the difference in the wave impedances of the speaker itself and the external airspace.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является конструкция облучателя двухзеркальной антенны, выполненная в виде расфазированного конического рупора с нанесенной на его внутренней поверхности импедансной спиральной канавкой, служащей для выравнивания диаграммы направленности [а.с. №237934 СССР. Рупорная антенна // Ерухимович Ю.А. Опубл. в БИ №9, 1969]. Недостатком данной конструкции является постоянство глубины и ширины канавки спирали, а значит и ее волнового сопротивления по мере увеличения раскрыва рупора, что позволяет обеспечить его согласование только с одной из сторон - либо с питающим рупор волноводом, либо с внешним воздушным пространством.Closest to the proposed technical solution is the design of the irradiator of a two-mirror antenna, made in the form of a phased conical horn with an impedance spiral groove deposited on its inner surface, which serves to align the radiation pattern [a.s. No. 237934 of the USSR. Horn antenna // Erukhimovich Yu.A. Publ. in BI No. 9, 1969]. The disadvantage of this design is the constancy of the depth and width of the spiral groove, and therefore its wave impedance, as the mouth of the horn increases, which ensures its coordination only on one of the sides - either with the waveguide supplying the horn or with external air space.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является выравнивание диаграммы направленности рупорной антенны в широком диапазоне частот и с различной поляризацией поля за счет согласования рупора как со стороны питающего его волновода, так и со стороны внешнего воздушного пространства.The technical problem to which this invention is directed is to align the radiation pattern of a horn antenna in a wide frequency range and with different field polarization due to matching the horn both from the side of the waveguide supplying it and from the outside air space.

Решение технической задачи достигается тем, что рупорная антенна содержит рупор с нарезанными на его внутренней поверхности канавками в виде одно- или многозаходных спиралей. Согласно предложенному изобретению спирали выполнены с постоянным шагом, равным половине средней длины волны, глубина канавок постоянна и равна четверти средней длины волны, а ширина канавок в начале спирали равна ее глубине, а далее линейно уменьшается по мере увеличения раскрыва рупора. Рупор антенны может иметь коническую или пирамидальную форму.The solution to the technical problem is achieved by the fact that the horn antenna contains a horn with grooves cut on its inner surface in the form of single or multiple helixes. According to the proposed invention, the spirals are made with a constant step equal to half the average wavelength, the depth of the grooves is constant and equal to a quarter of the average wavelength, and the width of the grooves at the beginning of the spiral is equal to its depth, and then linearly decreases as the mouth of the mouth increases. The antenna horn may have a conical or pyramidal shape.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является согласование рупора как со стороны питающего его волновода, так и со стороны внешнего воздушного пространства, что позволяет обеспечить выравнивание диаграммы направленности рупорной антенны в широком диапазоне частот и с различной поляризацией поля.The technical result achieved in the implementation of the totality of the claimed essential features is the coordination of the horn both from the side of the waveguide supplying it and from the side of the external air space, which allows alignment of the radiation pattern of the horn antenna in a wide frequency range and with different polarization of the field.

Предлагаемая рупорная антенна иллюстрируется чертежами (фиг.1-5), на которых представлены варианты ее конструкций на основе конического (фиг.1) и пирамидального рупоров (фиг.3) и полученные для них характеристики (фиг.2, 4). На фиг.5 представлена использованная в расчетах зависимость сопротивления спиральной канавки R при изменении ее ширины W, вычисленная по формуле: R=ρ/(W cos Ф), где ρ - удельное сопротивление материала канавки (для меди 0,0175 (Ом·мм²/м)), Ф - угол намотки спирали по отношению к продольной оси.The proposed horn antenna is illustrated by drawings (Figs. 1-5), which show variants of its designs based on a conical (Fig. 1) and pyramidal horns (Fig. 3) and the characteristics obtained for them (Figs. 2, 4). Figure 5 presents the dependence of the resistance of the spiral groove R used in the calculations when changing its width W, calculated by the formula: R = ρ / (W cos Ф), where ρ is the resistivity of the material of the groove (for copper 0.0175 (Ohm · mm ² / m)), Ф is the angle of the winding of the spiral with respect to the longitudinal axis.

Конструкция конической рупорной антенны (Фиг.1) содержит питающий круглый волновод 1, конический рупор 2 и нарезанную на внутренней поверхности рупора одно- или многозаходную спиральную канавку 3. Конструкция пирамидальной рупорной антенны (Фиг.3) включает питающий прямоугольный волновод 4, пирамидальный рупор 5 и нарезанную на внутренней поверхности рупора одно- или многозаходную спиральную канавку 6.The design of the conical horn antenna (FIG. 1) contains a circular round waveguide 1, a conical horn 2 and a single or multiple helical groove cut on the inner surface of the horn 3. The pyramidal horn antenna design (FIG. 3) includes a rectangular rectangular waveguide 4, a pyramidal horn 5 and a single or multiple helical groove 6 cut on the inner surface of the horn.

Работа рупорной антенны конической формы осуществляется следующим образом.The operation of the cone-shaped horn antenna is as follows.

Волна Н₁₁ возбуждается в питающем круглом волноводе 1, плавно переходящем в конический рупор 2. На внутренней поверхности рупора нарезана одно- или многозаходная спиральная канавка 3, имеющая постоянный шаг, равный половине средней длины волны (Фиг.1). Глубина канавки постоянна и равна четверти средней длины волны, а ширина канавки в начале спирали равна ее глубине, а далее линейно уменьшается по мере увеличения раскрыва рупора, что позволяет обеспечить требуемое волновое сопротивление для согласования конического рупора как со стороны питающего волновода, так и со стороны внешнего воздушного пространства. Волновое сопротивление круглого волновода с волной Н₁₁ может быть определено по формуле [Однозначное определение волнового сопротивления волноводов круглого и прямоугольного поперечного сечения // Пчельников Ю.Н. / Сб. науч. трудов №123. М.: Моск. Энерг. Ин-т. 1987. с.49-55]:The wave H _{11 is} excited in the feed circular waveguide 1, smoothly turning into a conical horn 2. On the inner surface of the horn a single or multiple helical groove 3 is cut, having a constant pitch equal to half the average wavelength (Figure 1). The depth of the groove is constant and equal to a quarter of the average wavelength, and the width of the groove at the beginning of the spiral is equal to its depth, and then linearly decreases as the mouth of the horn increases, which ensures the required wave impedance for matching the conical horn both from the supply waveguide and from the side external airspace. The wave impedance of a circular waveguide with a wave of H ₁₁ can be determined by the formula [Unambiguous definition of the wave impedance of waveguides of circular and rectangular cross-section // Pchelnikov Yu.N. / Sat scientific Proceedings No. 123. M .: Mosk. Energ. Inst. 1987. S. 49-55]:

где b - радиус волновода, Ω - поперечная постоянная, связанная с фазовой постоянной β и волновым числом k соотношениемwhere b is the radius of the waveguide, Ω is the transverse constant associated with the phase constant β and the wave number k by the relation

ε₀, µ₀ - диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума, ω - угловая частота.ε ₀ , μ ₀ - dielectric and magnetic permeability of vacuum, ω - angular frequency.

Возможность достижения поставленной цели подтверждается результатами численного эксперимента, полученными с помощью Mathcad.The ability to achieve this goal is confirmed by the results of a numerical experiment obtained using Mathcad.

На фиг.2 показаны зависимости волнового сопротивления Z₀ конической рупорной антенны от обобщенного параметра rτ, пропорционального частоте, где r - текущий радиус рупора, τ - поперечная постоянная волны, замедленной спиральной канавкой. В представляющих практический интерес случаях изменения rτ нелинейные зависимости волнового сопротивления аппроксимируются отрезками прямых. Так на фиг.2 прямая 1 соответствует обычному коническому рупору с волной Н₁₁ без импедансной структуры, прямая 2 - для рупора с однозаходной спиральной канавкой. Анализ полученных зависимостей подтверждает трудности, связанные с отражением волны, возникающие при согласовании обычного конического рупора с внешним воздушным пространством, волновое сопротивление которого 376,7 (Ом). В то же время наличие спиральной канавки в раскрыве рупора позволяет увеличить значение волнового сопротивления и обеспечить минимальные потери на отражение, несмотря на некоторое увеличение дисперсии.Figure 2 shows the dependence of the wave impedance Z _{0 of the} conical horn antenna on the generalized parameter rτ proportional to the frequency, where r is the current radius of the horn, τ is the transverse constant of the wave, slowed down by a spiral groove. In cases of practical interest, changes in rτ, the nonlinear dependences of the wave impedance are approximated by line segments. So in figure 2, line 1 corresponds to a conventional conical horn with a wave of H ₁₁ without an impedance structure, line 2 - for a horn with a one-way spiral groove. An analysis of the obtained dependences confirms the difficulties associated with wave reflection that arise when matching a conventional conical horn with external airspace, the wave resistance of which is 376.7 (Ohms). At the same time, the presence of a spiral groove in the mouth of the horn allows you to increase the value of wave impedance and ensure minimal reflection losses, despite a slight increase in dispersion.

Аналогично осуществляется работа антенны на базе пирамидального рупора.Similarly, the operation of the antenna is based on the pyramidal horn.

В этом случае волна Н₁₀ возбуждается в прямоугольном волноводе 4, плавно переходящем в пирамидальный рупор 5. На внутренней поверхности рупора нарезана одно- или многозаходная прямоугольная спиральная канавка 6, имеющая постоянный шаг, равный половине средней длины волны (Фиг.3). Как и в случае конического рупора, глубина канавки постоянна и равна четверти средней длины волны, а ширина канавки в начале спирали равна ее глубине, а далее линейно уменьшается по мере увеличения раскрыва рупора.In this case, the wave H _{10 is} excited in a rectangular waveguide 4, smoothly transforming into a pyramidal horn 5. On the inner surface of the horn, a single or multiple entry rectangular helical groove 6 is cut, having a constant pitch equal to half the average wavelength (Figure 3). As in the case of a conical horn, the depth of the groove is constant and equal to a quarter of the average wavelength, and the width of the groove at the beginning of the spiral is equal to its depth, and then linearly decreases as the mouth of the mouth increases.

Волновое сопротивление прямоугольного волновода с волной Н₁₀ может быть определено по формуле [Однозначное определение волнового сопротивления волноводов круглого и прямоугольного поперечного сечения // Пчельников Ю.Н. / Сб. науч. трудов №123. М.: Моск. Энерг. Ин-т. 1987. с.49-55]:The wave resistance of a rectangular waveguide with a wave of H ₁₀ can be determined by the formula [Unambiguous determination of the wave resistance of waveguides of circular and rectangular cross-section // Pchelnikov Yu.N. / Sat scientific Proceedings No. 123. M .: Mosk. Energ. Inst. 1987. S. 49-55]:

где а - ширина волновода, b - его высота.where a is the width of the waveguide, b is its height.

В этом случае возможность достижения поставленной цели также подтверждается результатами численного эксперимента, полученными с помощью Mathcad.In this case, the possibility of achieving the goal is also confirmed by the results of a numerical experiment obtained using Mathcad.

На фиг.4 показаны зависимости волнового сопротивления Z₀ пирамидальной рупорной антенны от обобщенного параметра

, пропорционального частоте. В представляющих практический интерес случаях изменения

нелинейные зависимости волнового сопротивления аппроксимируются отрезками прямых. Так на фиг.4 прямая 1 соответствует обычному пирамидальному рупору с волной Н₁₀ без импедансной структуры, прямая 2 - для рупора с однозаходной прямоугольной спиральной канавкой. В отличие от антенны на базе конического рупора, согласование пирамидального рупора за счет спиральной канавки показывает еще лучшие результаты. Здесь рост волнового сопротивления практически не меняет дисперсии, а значит согласование с минимальными потерями на отражение может быть проведено в более широком диапазоне частот.Figure 4 shows the dependence of the wave impedance Z _{0 of the} pyramidal horn antenna on the generalized parameter

proportional to frequency. In practical cases of change

nonlinear dependences of wave impedance are approximated by line segments. So in figure 4, line 1 corresponds to a conventional pyramidal horn with a wave of H ₁₀ without an impedance structure, line 2 - for a horn with a single-entry rectangular spiral groove. Unlike an antenna based on a conical horn, matching the pyramidal horn due to the spiral groove shows even better results. Here, the increase in wave resistance practically does not change the dispersion, which means that matching with minimal reflection losses can be carried out in a wider frequency range.

Достоинством предложенного изобретения является возможность согласования рупорных антенн как со стороны питающих их волноводов, так и со стороны внешнего воздушного пространства, что позволяет обеспечить выравнивание их диаграмм направленности. Наличие спиральной канавки в раскрыве рупора приводит к тому, что волны, отраженные от диаметрально противоположных точек спирали, возвращаются к волноводу в противофазе и взаимно компенсируются. Это позволяет использовать предлагаемые антенны для работы с различной поляризацией поля и обеспечивать симметричность их диаграмм направленности в широком диапазоне частот.An advantage of the proposed invention is the possibility of matching horn antennas both from the side of the waveguides supplying them and from the side of the external air space, which allows alignment of their radiation patterns. The presence of a spiral groove in the mouth of the horn leads to the fact that waves reflected from diametrically opposite points of the spiral return to the waveguide in antiphase and are mutually compensated. This allows you to use the proposed antennas to work with different polarization of the field and to ensure the symmetry of their radiation patterns in a wide frequency range.

Claims

1. A horn antenna containing a horn with grooves cut on its inner surface in the form of single or multiple helixes, characterized in that the helix is made with a constant pitch equal to half the average wavelength, the depth of the grooves is constant and equal to a quarter of the average wavelength, and the width The grooves at the beginning of the spiral are equal to its depth, and then linearly decreases as the mouth of the mouth increases.

2. The horn antenna according to claim 1, characterized in that the horn has a conical shape.

3. The horn antenna according to claim 1, characterized in that the horn has a pyramidal shape.