RU2695946C1 - Металлический волноводный облучатель с диэлектрической вставкой - Google Patents
Металлический волноводный облучатель с диэлектрической вставкой Download PDFInfo
- Publication number
- RU2695946C1 RU2695946C1 RU2018134679A RU2018134679A RU2695946C1 RU 2695946 C1 RU2695946 C1 RU 2695946C1 RU 2018134679 A RU2018134679 A RU 2018134679A RU 2018134679 A RU2018134679 A RU 2018134679A RU 2695946 C1 RU2695946 C1 RU 2695946C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metal waveguide
- cone
- dielectric
- diameter
- metal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
- H01Q13/02—Waveguide horns
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
- H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
- H01Q19/18—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces having two or more spaced reflecting surfaces
Landscapes
- Waveguide Aerials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к антенной технике миллиметрового диапазона длин волн и может быть использовано в зондирующих устройствах радиоинтерферометров для измерения кинематических параметров движения поверхностей в замкнутых объемах при ударных нагрузках, а также в качестве облучателей длиннофокусных зеркальных антенн. В металлическом волноводном облучателе, состоящем из открытого конца одномодового металлического волновода круглого сечения и диэлектрической вставки из материала с диэлектрической проницаемостью ε от 2,3 до 2,6, часть которой в форме стержня заполняет участок металлического волновода, и часть которой в форме усеченного конуса выступает за торец металлического волновода и состыкована с ним малым основанием конуса, а большее основание конуса является излучающей апертурой, угол наклона образующей усеченного конуса к его высоте составляет от 18 до 20°, диаметр большего основания конуса D выбран из соотношения 3,1λ≥D≥1,6λ, где λ - рабочая длина волны излучения, а диаметр малого основания конуса превышает диаметр металлического волновода и определен соотношением
Техническим результатом предложенного изобретения является улучшение характеристик облучателя с диэлектрической вставкой и расширение области его применения при поперечных и продольных размерах диэлектрических вставок, не превышающих нескольких длин волн. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к антенной технике миллиметрового (мм) диапазона длин волн и может быть использовано в зондирующих устройствах радиоинтерферометров для измерения кинематических параметров движения поверхностей в замкнутых объемах при ударных нагрузках, а также в качестве облучателей длиннофокусных зеркальных антенн.
В указанных применениях облучатель должен формировать сравнительно узконаправленную осесимметричную диаграмму направленности (ДН), обеспечивать надлежащие амплитудное и фазовое распределения в пределах требуемого угла раскрыва фиксированного участка движущейся поверхности в замкнутых объемах или в пределах угла раскрыва зеркальной антенны, минимальные уровни боковых лепестков (УБЛ).
Для устройств ввода зондирующего излучения в замкнутый объем предъявляются требования минимально возможного отверстия в металлической стенке объема, противоположной зондируемой, для зеркальных антенн - минимального объема металлических облучателей, исходя из требования минимизации затенения зеркала.
Этим габаритным требованиям в максимальной степени удовлетворяет облучатель в виде открытого конца металлического волновода круглого сечения с волной Н11, однако ширина ДН такого облучателя существенно превышает требуемую для длиннофокусных зеркальных антенн и для облучателей замкнутых объемов в радиоинтерферометрии.
Применение металлических рупорных облучателей, обеспечивающих узконаправленное излучение, недопустимо при зондировании замкнутых объемов и ограничено в качестве облучателей зеркальных антенн из-за затенения зеркала.
Известны облучатели в виде открытого конца волновода круглого сечения, излучающие свойства которых регулируются с помощью диэлектрических вставок на апертуре волновода, при этом обеспечивается минимальное затенение зеркальной антенны благодаря выполнению формирователя излучения из диэлектрика.
Для достаточно широкого класса рассмотренных применений требуются облучатели с шириной ДН по уровню минус 3 дБ от 20° до 40° и шириной ДН по уровню минус 15 дБ от 50° до 80° и размерами диэлектрической вставки, формирующей требуемую ДН, не превышающими нескольких длин волн.
Известен диэлектрический конический излучатель [Взятышев В.Ф., Гайнулина Е.Ю. и др. Патент 2485644 РФ, МПК H01Q 13/00], обеспечивающий осесимметричное излучение гауссова типа с шириной ДН по уровню минус 3 дБ менее 20° при диаметре основания конуса, являющегося излучающей апертурой, как правило, выбираемом от 3λ до 6λ, где λ - рабочая длина волны излучения. Однако такие излучатели возбуждаются диэлектрическим волноводом и требуют для минимизации УБЛ угла наклона а образующей конуса к его высоте не более 5°. При возбуждении диэлектрического конического излучателя металлическим волноводом из-за рассогласования полей волн Н11 и НЕ11 на стыке металлического волновода и конуса возрастает УБЛ. Кроме того, как диаметр основания конуса, так и его длина, превышающая 20λ, неприемлемы для указанных выше условий применения.
За прототип выбран облучатель на волноводе круглого сечения с диэлектрической вставкой в виде тела вращения, размещаемого на открытом конце металлического волновода с фланцем и частично заполняющего металлический, волновод диэлектрическим стержнем, составляющим единое целое с диэлектрической вставкой с диаметром, равным или большим, чем сечение металлического волновода, и выполненного в виде цилиндра или усеченного конуса с коническим углублением, вершина которого направлена к открытому концу металлического волновода [Калугин Н.Н. и др. Облучатель параболической антенны. Патент РФ 2092941, МПК H01Q 13/00].
Однако, известные формы диэлектрических вставок, размещаемых на открытом конце металлического волновода с фланцем, характерные для прототипа, предназначены для формирования широких столообразных ДН с незначительным провалом по оси и шириной ДН не менее 180° для повышения эффективности облучения короткофокусных антенн.
Указанные ДН формируются коническим углублением в цилиндрической или усеченной конической диэлектрической вставке, при этом выбор диаметра вставки на стыке с металлическим волноводом некритичен и определяется диаметром вставки в плоскости раскрыва от 0,7λ, то есть от диаметра металлического волновода, до 2λ, а угол наклона α образующей усеченного конуса к его высоте в пределах от 15° до 30° обусловлен только необходимостью уменьшения уровня заднего излучения.
При выполнении вставки в виде сплошного усеченного конуса без конического углубления может быть реализовано осевое излучение, однако известные параметры аналогов - угол наклона образующей усеченного конуса к его высоте, диаметр малого и большого оснований усеченного конуса не обеспечивают требуемые характеристики узконаправленного излучения, необходимые для облучения симметричных длиннофокусных зеркальных антенн и зондирования замкнутых объемов.
Диэлектрические вставки и конические диэлектрические облучатели, как правило, выполняются из высококачественных диэлектриков с диэлектрической проницаемостью ε от 2,0 до 2,6.
Техническим результатом предложенного изобретения является улучшение характеристик облучателя с диэлектрической вставкой и расширение области его применения при поперечных и продольных размерах диэлектрических вставок, не превышающих нескольких длин волн, а именно обеспечение малогабаритной диэлектрической вставкой на открытом конце металлического волновода излучения осесимметричного волнового пучка гауссова типа с шириной основного лепестка ДН в пределах 20°-40° по уровню минус 3 дБ и с уровнем боковых лепестков ниже минус 20 дБ, с равномерным распределением фазы без скачков в пределах основного лепестка ДН.
Технический результат достигается тем, что в металлическом волноводном облучателе, состоящем из открытого конца одномодового металлического волновода круглого сечения и диэлектрической вставки из материала с диэлектрической проницаемостью ε от 2,3 до 2,6, часть которой в форме стержня заполняет участок металлического волновода, и часть которой в форме усеченного конуса выступает за торец металлического волновода и состыкована с ним малым основанием конуса, а большее основание конуса является излучающей апертурой, угол наклона образующей усеченного конуса к его высоте составляет от 18° до 20°, диаметр большего основания конуса D выбран из соотношения 3,1λ≥D≥1,6λ, где λ - рабочая длина волны излучения, а диаметр малого основания конуса превышает диаметр металлического волновода и определен соотношением
Кроме того, выступающая за торец металлического волновода часть диэлектрической вставки в форме усеченного конуса может быть состыкована с торцем металлического волновода, расположенным в отверстии зеркальной антенны или стенки диагностируемого объема, таким образом, что стенка зеркальной антенны или диагностируемого объема состыкована с меньшим основанием усеченного конуса, причем стенки диагностируемого объема могут быть как металлические, так и диэлектрические, иметь вогнутую или выпуклую форму.
Кроме того, выступающая за торец металлического волновода излучателя часть диэлектрической вставки в форме усеченного конуса может быть состыкована с торцем металлического волновода посредством металлического фланца на его торце.
На фигуре 1 представлен предлагаемый облучатель в различных вариантах стыковки с поверхностью зондируемого объема или зеркальной антенны, поясняющий сущность изобретения.
На фигуре 1а представлен металлический волноводный облучатель с диэлектрической вставкой, состоящий из металлического волновода круглого сечения 1 с выходным торцем волновода 2 и диэлектрической вставки, часть которой 3 выполнена в виде усеченного конуса с углом наклона α образующей конуса к его высоте в пределах 18°-20°. Часть диэлектрической вставки в виде стержня 4 частично заполняет металлический волновод 1. Большее основание конуса 3 диаметром D, являющееся апертурой облучателя, для обеспечения требуемой ширины ДН Δθ-3дБ в пределах 20°-40° выбирается из соотношения 3,1λ≥D≥1,6λ.
Усеченный конус 3 малым основанием диаметром d, превышающим внутренний диаметр металлического волновода 1, и определяемым из соотношения
стыкуется с торцем 2 металлического волновода 1.
На фигуре 1б представлен металлический волноводный облучатель, у которого выступающая за торец 2 металлического волновода 1 часть 3 диэлектрической вставки состыкована с торцем 2 металлического волновода 1, расположенного в отверстии зеркальной антенны или вогнутой стенки 5 диагностируемого объема, а на фигуре 1в - в отверстии выпуклой стенки 6 диагностируемого объема, таким образом, что стенка зеркальной антенны или диагностируемого объема 5 или 6 состыкована с меньшим основанием усеченного конуса 3.
Монтаж диэлектрической вставки в металлический волновод 1 осуществляется после монтажа волновода 1 в заданную поверхность 5 или 6.
Стенки замкнутого объема 5 и 6 на фигурах 1б и 1в могут быть как металлическими, так и диэлектрическими.
На фигуре 1г показан облучатель, в котором выступающая за торец 2 металлического волновода 1 часть 3 диэлектрической вставки состыкована с торцем 2 металлического волновода 1 посредством металлического фланца на его торце.
На фигуре 2 изображена типовая ДН предложенных вариантов облучателя в Е и Н-плоскостях.
Металлический волноводный облучатель с диэлектрической вставкой работает следующим образом.
У диэлектрических конических облучателей, также как и у металлических рупоров, ширина основного лепестка ДН по уровню минус 3 дБ определяется в основном соотношением λ/D, где D - диаметр основания конуса. Однако, для диэлектрических конических облучателей, в силу открытого характера структуры, апертура определяется шириной распределения поля по уровню минус 15 дБ, которая превышает диаметр основания конуса. Это обеспечивает более узкую ДН по сравнению с металлическим рупором тех же геометрических размеров, а также пренебрежимо малое затенение зеркальных антенн.
Для обеспечения требуемой ширины диаграммы направленности по уровню минус 3 дБ Δθ-3дБ в пределах 20°-40° диаметр большего основания конуса D выбирается из соотношения 3,1λ≥D≥1,6λ. Выбор конкретного значения диаметра D определяется требуемым значением Δθ-3дБ в указанных пределах.
По результатам экспериментов получена зависимость ширины ДН по уровню минус 3 дБ Δθ-3дБ от соотношения λ/D, выбираемого в указанных выше пределах,
Резкая нерегулярность на стыке торца металлического волновода 1 с малым основанием диэлектрического конуса 3, диаметр которого превышает внутренний диаметр металлического волновода, обеспечивает согласование структуры поля Н11 металлического волновода с возбуждаемой в конусе волной H11, что характеризует достигнутый УБЛ ниже минус 20 дБ.
Известно, что для реализации Эрмито-Гауссова распределения поля в диэлектрической волноведущей структуре, наряду с основным типом волны Н11, необходимо возбуждать первый симметричный высший тип волны с определенным соотношением амплитуд, причем эффективное возбуждение высшего типа волны может быть обеспечено на резкой нерегулярности волноведущей структуры [Взятышев В.Ф., Гайнулина Е.Ю., Назаров А.В. и др. Планарные диэлектрические излучатели для КВЧ систем диагностики быстропротекающих процессов/ Антенны, вып. 1, 2016, с. 55
для выбора диаметра d малого основания конуса в зависимости от длины волны и диэлектрической проницаемости ε материала вставки соответствует критической частоте возбуждения высшего симметричного типа EH12 в эквивалентном диэлектрическом волноводе [Взятышев В.Ф. Диэлектрические волноводы. Изд-во «Сов. радио», М., 1970].
При выборе диаметра d малого основания усеченного конуса 3 диэлектрической вставки в соответствии с указанным соотношением обеспечивается, во-первых, согласование полей Н11 и HE11 на стыке торца 2 металлического волновода 1 с частью 3 диэлектрической вставки и соответственно уменьшение УБЛ за счет превышения диаметра d малого основания конуса 3 в полтора раза диаметра металлического волновода и, во-вторых, формирование излучения с ДН гауссова типа за счет эффективного возбуждения на предложенной резкой нерегулярноти - стыке торца металлического волновода 1 с малым основанием конуса 3, наряду с основной волной НЕ11 и высшего типа ЕН12.
Формирование на апертуре конической части 3 диэлектрической вставки Эрмито-Гауссова амплитудно-фазового распределения и соответствующей ДН можно пояснить из рассмотрения распределения полей НЕ11 и EH12 в поперечном сечении.
Силовые линии НЕ11 в основном коллинеарны, однако, при выбранных размерах сечения конической насадки они искривлены во внешней области. Структура поля ЕН12 близка к структуре поля НЕ11 в центральной части сечения и в отличие от поля НЕ11 на периферии имеет противонаправленные силовые линии поля с противоположной формой кривизны. Это обеспечивает суммарное поле гауссова типа.
Экспериментально показано, что при диаметре малого основания конуса d меньше, чем в указанном соотношении, например, равном внутреннему диаметру металлического волновода, уровень боковых лепестков из-за большего излучения на нерегулярности стыка возрастает до минус 16 дБ. Из-за невозбуждения высшего типа ЕН12 в конической части вставки ДН существенно несимметрична. Так, по уровню минус 15 дБ ширина ДН составляет 63° и 90° в Е и Н-плоскостях, соответственно. Кроме того, в точках перегиба амплитудного распределении основного лепестка на уровне минус 10 дБ фазовое распределение терпит скачки, что недопустимо для указанных применений облучателя.
Сочетание предложенных параметров диэлектрической вставки - угла α наклона образующей усеченного конуса, зависимости диаметров оснований конуса D и d от длины волны λ обеспечивают осесимметричную диаграмму направленности гауссова типа с шириной 20°-40°, с УБЛ ниже минус 20 дБ при продольных и поперечных размерах диэлектрической вставки менее 3λ.
Для примера на фигуре 2 приведены экспериментальные ДН в декартовых координатах в Е и Н-плоскостях для варианта облучателя, изображенного на фигуре 1а, на длине волны λ=3,2 мм с конической вставкой размерами D=10 мм, d=3 мм, внутренним диаметром металлического волновода, равным 2 мм, углом α=19°. Вставка выполнена из полистирола (ε=2,5).
Как видно из фигуры 2, в предложенном металлическом волноводном облучателе с конической диэлектрической вставкой достигнуты следующие характеристики излучения - симметричная ДН гауссового типа до уровня минус 15 дБ, уровень боковых лепестков ниже минус 20 дБ, равномерность фазы в пределах основного лепестка ДН, ширина ДН по уровню минус 3 дБ 25° и 23°, по уровню минус 15 дБ 53° и 55° в Е и Н плоскостях, соответственно.
ДН других вариантов облучателей (фигуры 1б-1г) практически совпадают с ДН на фигуре 2 в пределах погрешности измерений.
Claims (4)
1. Металлический волноводный облучатель, состоящий из открытого конца одномодового металлического волновода круглого сечения и диэлектрической вставки из материала с диэлектрической проницаемостью ε от 2,3 до 2,6, часть которой в форме стержня заполняет участок металлического волновода и часть которой в форме усеченного конуса выступает за торец металлического волновода и состыкована с ним малым основанием конуса, а большее основание конуса является излучающей апертурой, отличающийся тем, что угол наклона образующей усеченного конуса к его высоте составляет от 18 до 20°, диаметр большего основания конуса D выбран из соотношения 3,1λ≥D≥1,6λ, где λ - рабочая длина волны излучения, а диаметр малого основания конуса превышает диаметр металлического волновода и определен соотношением
2. Металлический волноводный облучатель с диэлектрической вставкой по п. 1, отличающийся тем, что выступающая за торец металлического волновода часть диэлектрической вставки в форме усеченного конуса состыкована с торцом металлического волновода, расположенного в отверстии зеркальной антенны или стенки диагностируемого объема, таким образом, что стенка зеркальной антенны или диагностируемого объема состыкована с меньшим основанием усеченного конуса, причем стенки диагностируемого объема могут быть как металлические, так и диэлектрические, иметь вогнутую или выпуклую форму.
3. Металлический волноводный облучатель с диэлектрической вставкой по п. 1, отличающийся тем, что выступающая за торец металлического волновода часть диэлектрической вставки в форме усеченного конуса состыкована с торцом металлического волновода посредством металлического фланца на его торце.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018134679A RU2695946C1 (ru) | 2018-10-01 | 2018-10-01 | Металлический волноводный облучатель с диэлектрической вставкой |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018134679A RU2695946C1 (ru) | 2018-10-01 | 2018-10-01 | Металлический волноводный облучатель с диэлектрической вставкой |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2695946C1 true RU2695946C1 (ru) | 2019-07-29 |
Family
ID=67586759
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018134679A RU2695946C1 (ru) | 2018-10-01 | 2018-10-01 | Металлический волноводный облучатель с диэлектрической вставкой |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2695946C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5038152A (en) * | 1990-05-17 | 1991-08-06 | Hughes Aircraft Company | Broad band omnidirectional monocone antenna |
GB2272578A (en) * | 1992-11-13 | 1994-05-18 | D Mac International Limited | Antenna |
RU2092941C1 (ru) * | 1988-04-04 | 1997-10-10 | Научно-производственное объединение им.С.А.Лавочкина | Облучатель параболической антенны |
RU118799U1 (ru) * | 2012-02-06 | 2012-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "КВЧ-Комплекс" | Диэлектрический конический излучатель |
RU142669U1 (ru) * | 2013-04-09 | 2014-06-27 | Закрытое Акционерное Общество "Научно-производственное предприятие "СПЕЦ-РАДИО" (ЗАО НПП "СПЕЦ-РАДИО") | Сверхширокополосный волноводно-рупорный излучатель |
RU174536U1 (ru) * | 2017-03-30 | 2017-10-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Волноводный излучатель |
-
2018
- 2018-10-01 RU RU2018134679A patent/RU2695946C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2092941C1 (ru) * | 1988-04-04 | 1997-10-10 | Научно-производственное объединение им.С.А.Лавочкина | Облучатель параболической антенны |
US5038152A (en) * | 1990-05-17 | 1991-08-06 | Hughes Aircraft Company | Broad band omnidirectional monocone antenna |
GB2272578A (en) * | 1992-11-13 | 1994-05-18 | D Mac International Limited | Antenna |
RU118799U1 (ru) * | 2012-02-06 | 2012-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "КВЧ-Комплекс" | Диэлектрический конический излучатель |
RU142669U1 (ru) * | 2013-04-09 | 2014-06-27 | Закрытое Акционерное Общество "Научно-производственное предприятие "СПЕЦ-РАДИО" (ЗАО НПП "СПЕЦ-РАДИО") | Сверхширокополосный волноводно-рупорный излучатель |
RU174536U1 (ru) * | 2017-03-30 | 2017-10-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Волноводный излучатель |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rumsey | Horn antennas with uniform power patterns around their axes | |
US10476166B2 (en) | Dual-reflector microwave antenna | |
KR100964623B1 (ko) | 도파관 슬롯 배열 안테나 및 평면형 슬롯 배열 안테나 | |
Pohl | A dielectric lens antenna with enhanced aperture efficiency for industrial radar applications | |
RU2435263C1 (ru) | Двухдиапазонная антенна | |
RU2695946C1 (ru) | Металлический волноводный облучатель с диэлектрической вставкой | |
KR102418087B1 (ko) | 반사형 안테나 장치 및 그 설계방법 | |
Kishk et al. | Comparative analysis between conical and Gaussian profiled horn antennas | |
Wu et al. | A novel conical horn antenna loaded with ball cone dielectric | |
RU2696661C1 (ru) | Диэлектрический стержневой излучатель | |
Nguyen et al. | Study of folded reflector multibeam antenna with dielectric rods as primary source | |
US20080030417A1 (en) | Antenna Apparatus | |
Jackson et al. | Review of recent advances in the leaky-wave analysis of 2-D leaky-wave antennas | |
Kali-Nicheev et al. | Slotted-waveguide antenna arrays with frequency-phase scanning | |
Flodin et al. | Moment method design of a large S/X band corrugated horn | |
Ala et al. | Two-layer dielectric rod antenna for far distance | |
Armbrecht et al. | Compact directional UWB antenna with dielectric insert for radar distance measurements | |
Armbrecht et al. | Dielectric travelling wave antennas incorporating cylindrical inserts with tapered cavities | |
RU2541871C2 (ru) | Сверхширокополосная многолучевая зеркальная антенна | |
Mirkamali et al. | A planar lens antenna with circular edge inspired by gaussian optics | |
JP6172232B2 (ja) | ホーンアンテナ | |
US2653241A (en) | Antenna | |
Wiltse | Large-angle zone plate antennas | |
JP6327962B2 (ja) | 反射鏡アンテナ装置 | |
US20080174504A1 (en) | Reflector antenna feed device |