RU2734586C1 - Антенный элемент круговой поляризации - Google Patents
Антенный элемент круговой поляризации Download PDFInfo
- Publication number
- RU2734586C1 RU2734586C1 RU2020115027A RU2020115027A RU2734586C1 RU 2734586 C1 RU2734586 C1 RU 2734586C1 RU 2020115027 A RU2020115027 A RU 2020115027A RU 2020115027 A RU2020115027 A RU 2020115027A RU 2734586 C1 RU2734586 C1 RU 2734586C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- horn
- metal rod
- dielectric
- antenna
- 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
Landscapes
- Waveguide Aerials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для построения активных фазированных антенных решеток (АФАР) круговой поляризации. Технический результат - повышение коэффициента эллиптичности до значения не менее 0,95 антенного излучателя. Технический результат достигается за счет конструкции антенного элемента круговой поляризации, содержащего круглый волновод, открытый конец которого переходит в конический рупор, а вход соединен с волноводным трансформатором на прямоугольное зауженное сечение. В круглый волновод установлена диэлектрическая пластина поляризатора, выполненная несимметричной формы относительно оси волновода. Поляризатор ориентирован относительно вектора напряженности электрического поля на оси волновода под углом в пределах 45±5°. В раскрыве рупора расположена диэлектрическая вставка с центральным сквозным отверстием, в которой закреплен металлический стержень, входящий внутрь полости рупора, а выступающая над диэлектрической вставкой часть металлического стержня выполнена в виде гребенчатой структуры, образованной кольцами, расположенными вдоль него. Вблизи апертуры рупора диаметр колец увеличивается, а на конце металлического стержня уменьшается до его поперечного размера. 4 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для построения активных фазированных антенных решеток (АФАР) круговой поляризации вплоть до миллиметрового диапазона включительно, где шаг решетки, как правило, значительно превышает длину волны вследствие ее значений меньших относительно поперечного габарита радиотракта.
Уровень техники
Известна диэлектрическая антенна (патент SU №1374311, МПК H01Q13/24, опубл. 15.02.1988), которая содержит круглый волновод с фланцем, в открытом конце которого соосно расположен диэлектрический стержень, выступающий за пределы круглого волновода, и диэлектрическую втулку, расположенную вокруг выступающей части диэлектрического стержня. Выступающая часть диэлектрического стержня выполнена со скачкообразным уменьшением диаметра в плоскости открытого конца круглого волновода, диэлектрическая втулка расположена на диэлектрическом стержне без зазора, при этом толщина ее стенок выполнена линейно уменьшающейся от середины к концам, а на фланце выполнены концентрические канавки.
Известна диэлектрическая антенна (патент SU №1241325, опубл. 30.06.1986), которая состоит из отрезка волновода и диэлектрического стержня, установленного в раскрыве отрезка волновода, с целью повышения коэффициента направленного действия (КНД). Для формирования поля круговой поляризации дополнительно введена спираль, намотанная на диэлектрический стержень, начиная от плоскости раскрыва отрезка волновода, при этом конец диэлектрического стержня, входящий внутрь отрезка волновода, заканчивается пирамидальным переходом для снижения потерь на обратное отражение на границе сред воздух-диэлектрик.
Недостатком известных технических решений является формирование замедляющей структуры на основе диэлектрического материала. В применении к миллиметровому диапазону волн для эффективного возбуждения поверхностной волны вдоль диэлектрического стержня требуется, чтобы его диэлектрическая проницаемость составляла значение не более двойки. Материалов, удовлетворяющих такому условию, крайне мало, и как правило, они неустойчивы к механическим воздействиям в силу наличия внутренних воздушных полостей. Требования на технологическую точность на частотах, превышающих 20 ГГц, значительно осложняют способ производства таких стержней, для которого наиболее подходит использование технологии литья. Наличие концентрических канавок на фланце открытого волновода для первого технического решения существенно снижает его пригодность в качестве антенного элемента электрически сканирующей решетки из-за нарушения условия выбора шага. Отсутствие поляризатора не позволяет формировать поле излучения круговой поляризации, которая, например, крайне необходима в негеостационарных системах спутниковой связи. Использование спирали с этой целью, как сделано во втором техническом решении, частично решает указанную проблему, но практически не пригодно для миллиметрового диапазона волн вследствие технических ограничений, и теоретически не обеспечивает высокое значение коэффициента эллиптичности выше 0,9.
Наиболее близкой к заявленному изобретению является антенна (патент SU №1078512, опубл. 07.03.1984), содержащая коаксиальный волновод, внешний проводник которого соединен с коническим рупором, и стержневую замедляющую структуру, соединенную с центральным проводником коаксиального волновода, с целью повышения коэффициента усиления, в коническом рупоре соосно со стержневой замедляющей структурой установлен биконический диэлектрический переход, выполненный в виде усеченных конусов, соединенных друг с другом большими основаниями, причем диаметр одного из меньших оснований, равен внутреннему диаметру внешнего проводника коаксиального волновода, а диаметр другого равен внешнему диаметру стержневой замедляющей структуры, стержневая замедляющая структура выполнена в виде металлического стержня с диэлектрическим покрытием, на котором установлены металлические кольца переменной ширины, расположенные на расстоянии друг от друга, равном длине поверхностной волны, причем ширина металлических колец при удалении от конического рупора возрастает по линейному закону, а затем убывает по тому же закону.
Недостатком данного устройства является выполнение замедляющей структуры из отдельных деталей, в том числе металлических колец, что увеличивает время сборки, снижает технологичность и точность производства антенны, а наличие коаксиальной линии, напрямую соединяемой со стержнем, формирует такое распределение поля на участке подвода СВЧ энергии, которое не позволяет обеспечить возбуждение волны круговой поляризации.
Сущность изобретения
Техническая задача направлена на создание антенного элемента круговой поляризации, позволяющего строить АФАР с использованием сверхширокополосных сигналов в миллиметровом диапазоне и межэлементном шаге, превышающим длину волны, без появления высоких побочных максимумов.
Техническим результатом предложенного решения является повышение коэффициента эллиптичности до значения не менее 0,95 антенного излучателя.
Технический результат достигается тем, что
- антенный элемент круговой поляризации содержит круглый волновод, открытый конец которого переходит в конический рупор, а вход соединен с волноводным трансформатором на прямоугольное зауженное сечение,
- в круглый волновод установлена диэлектрическая пластина поляризатора с заданной топологией, при этом пластина выполнена несимметричной формы относительно оси волновода, а поляризатор ориентирован относительно вектора напряженности электрического поля на оси волновода под углом в пределах 45±5°,
- в раскрыве рупора расположена диэлектрическая вставка с центральным сквозным отверстием, в которой закреплен металлический стержень, входящий внутрь полости рупора, а длинная выступающая над диэлектрической вставкой часть металлического стержня выполнена в виде гребенчатой структуры, образованной кольцами, расположенными вдоль него, заданных диаметров и толщин значением не более 0,15 длины волны верхней границы рабочего диапазона,
- вблизи апертуры рупора диаметр колец увеличивается, а на конце металлического стержня уменьшается до его поперечного размера.
Использование круглого волновода и конического рупора решает задачу возбуждения любого типа поляризации и является необходимым условием существования круговой поляризации.
Введение волноводного трансформатора на прямоугольное зауженное сечение позволяет использовать в качестве способа возбуждения антенного элемента SIW-структуру, представляющую собой волновод, выполненный внутри многослойной печатной платы, стенки которого образованы металлизированными отверстиями, что особенно актуально в миллиметровом диапазоне волн для осуществления перехода между радиотрактом и излучающей структурой, где применение классических способов СВЧ возбуждения малоэффективно, а порой невозможно.
Реализация поляризатора в виде диэлектрической пластины с заданной топологией позволяет минимизировать частотную неравномерность амплитудно-фазовых соотношений ортогональных компонент поля излучения с целью обеспечения более постоянного значения коэффициента эллиптичности в заданной полосе частот.
Выполнение диэлектрической пластины несимметричной формы решает задачу одновременного достижения высокого коэффициента эллиптичности и низкого коэффициента отражения антенного элемента.
Пространственная ориентация поляризатора относительно вектора напряженности электрического поля на оси волновода под углом в пределах 45±5° служит для точного регулирования фазового сдвига ортогональных компонент поля излучения с целью достижения максимального коэффициента эллиптичности при сохранении остальных электрических характеристик антенного элемента.
Наличие металлического стержня в виде гребенчатой структуры, образованной кольцами заданных диаметров и толщин, обеспечивает возможность регулирования ширины диаграммы направленности (ДН) антенного элемента путем изменения эффективной длины указанного стержня, являющегося альтернативной реализацией замедляющей структуры в антеннах бегущей волны, где нередко применяется диэлектрический стержень с целью обужения ДН, в особенности до X-диапазона частот. Таким образом, правильно выбранная ДН антенного элемента позволяет строить на его основе АФАР с шагом, значительно превышающим длину волны, при этом отсутствующими высокими побочными максимумами за счет их подавления при перемножении ДН множителя решетки и ДН антенного элемента, заданной ширины, определенным угловым положением первого нуля и уровнем бокового лепестка. Важнейшим преимуществом в миллиметровом диапазоне волн металлической замедляющей структуры перед диэлектрической является существенно меньшее значение потерь на диссипацию СВЧ энергии, а также значительно более высокая точность производства, связанная как с выполнением заданной геометрии, так и отсутствием погрешности из-за отклонения относительной диэлектрической проницаемости используемого материала.
Расположение металлического стержня так, что он входит внутрь полости рупора, и вблизи апертуры рупора диаметр колец увеличивается, обеспечивает эффективное преобразование энергии СВЧ колебаний, распространяющихся в волноводе и рупоре, в энергию поверхностной волны, распространяющейся вдоль металлического стержня.
Формирование на конце металлического стержня переходного участка в свободное пространство путем уменьшения диаметра колец обеспечивает наилучшее согласование антенного элемента ввиду плавного увеличения фазовой скорости распространяющейся вдоль стержня поверхностной волны до скорости света.
Использование диэлектрической вставки с центральным сквозным отверстием, расположенной в апертуре рупора, задает дополнительную степень свободы для регулирования уровня передачи энергии СВЧ колебаний от полости рупора к металлическому стержню с целью эффективного возбуждения поверхностной волны и минимизации уровня боковых лепестков ДН антенного элемента. Кроме того, диэлектрическая вставка является конструктивным элементом крепления металлического стержня в заданном положении.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен общий вид антенного элемента, на фиг. 2 показан продольный разрез антенного элемента, фиг. 3 - показано изменение коэффициента эллиптичности, фиг. 4 - представлена диаграмма направленности.
Осуществление изобретения
Антенный элемент круговой поляризации представляет собой волноводно-стержневую антенну бегущей волны, где в качестве замедляющей структуры использован гребенчатый металлический стержень 1. Открытый конец круглого волновода 2 переходит в конический рупор 3, а вход соединен с многоступенчатым волноводным трансформатором 4 на прямоугольное зауженное сечение. Выполнение волноводного трансформатора 4 на прямоугольное зауженное сечение позволяет использовать в качестве способа возбуждения антенного элемента SIW-структуру, представляющую собой волновод, выполненный внутри многослойной печатной платы, стенки которого образованы металлизированными отверстиями, что особенно актуально в миллиметровом диапазоне волн для осуществления перехода между радиотрактом и излучающей структурой, где применение классических способов СВЧ возбуждения малоэффективно, а порой невозможно.
В полости круглого волновода 2 установлена диэлектрическая пластина поляризатора 5 с заданной топологией, при этом диэлектрическая пластина выполнена несимметричной формы относительно оси круглого волновода 2, а поляризатор 5 ориентирован относительно вектора напряженности электрического поля на оси круглого волновода 2 под углом 45±5°. Поляризатор 5, выполненный в виде диэлектрической пластины с заданной топологией, позволяет минимизировать частотную неравномерность амплитудно-фазовых соотношений ортогональных компонент поля излучения с целью обеспечения более постоянного значения коэффициента эллиптичности в заданной полосе частот.
В полости конического рупора 3, при помощи диэлектрической вставки 6 с центральным сквозным отверстием, закреплен металлический стержень 1, который входит внутрь конического рупора 3, а длинная выступающая над ним часть в виде гребенчатой структуры, образованной кольцами 7, расположенными вдоль стержня 1, заданных диаметров и толщин значением не более 0,15 длины волны верхней границы рабочего диапазона. Вблизи апертуры конического рупора 3 диаметр колец 7 увеличивается, а на конце металлического стержня 1 уменьшается.
Работа устройства
Через зауженное сечение волноводного трансформатора 4 подается СВЧ сигнал, который, попадая в круглый волновод 2, формирует колебания основного типа H11, где распространяющаяся волна линейной поляризации падает на поляризатор 5. Так как поляризатор 5 расположен относительно вектора напряженности электрического поля на оси круглого волновода 2 под углом 45±5°, то скалярная компонента падающей волны, параллельная пластине поляризатора 5 после его прохождения задерживается по фазе, отставая от перпендикулярной компоненты на 90°. Каждая из компонент, имея почти равные амплитуды на выходе поляризатора 5, в суперпозиции образуют волну круговой поляризации, распространяющуюся вдоль конического рупора 3 и металлического стержня 1, установленного в диэлектрической вставке 6. Диэлектрическая вставка 6 и основание металлического стержня 1 обеспечивают эффективное преобразование энергии СВЧ колебаний в полости конического рупора 3 в энергию поверхностной волны, распространяющейся вдоль гребенчатого металлического стержня 1, тем самым формируя режим бегущей волны, излучение которой направлено вдоль его оси. Задавая эффективную длину металлического стержня 1 и закон распределения амплитуды поверхностной волны, регулируется ДН антенного элемента.
Плавное выравнивание фазовой скорости поверхностной волны до скорости света на краю металлического стержня 1, а также правильно выбранная форма поляризатора 5 в совокупности с волноводной структурой, обеспечивают согласование антенного элемента круговой поляризации со свободным пространством не хуже -17 дБ, а заданная топология диэлектрической пластины поляризатора 5 с оптимальной геометрией возбуждающей части обеспечивают значение коэффициента эллиптичности не менее 0,95. При этом антенный элемент позволяет применять сверхширокополосные сигналы в радиосистемах миллиметрового диапазона волн.
Claims (1)
- Антенный элемент круговой поляризации, содержащий волновод, конический рупор и выполненные в виде единой конструкции металлический стержень с кольцами, отличающийся тем, что открытый конец круглого волновода переходит в конический рупор, а вход соединён с волноводным трансформатором на прямоугольное зауженное сечение, внутри круглого волновода установлена диэлектрическая пластина поляризатора с заданной топологией, при этом диэлектрическая пластина выполнена несимметричной формы относительно оси круглого волновода, причём поляризатор ориентирован относительно вектора напряжённости электрического поля на оси круглого волновода под углом в пределах 45±5°, в раскрыве рупора расположена диэлектрическая вставка с центральным сквозным отверстием, в которой закреплён металлический стержень, входящий внутрь полости конического рупора, а выступающая над диэлектрической вставкой часть металлического стержня выполнена в виде гребенчатой структуры, образованной кольцами, расположенными вдоль него, заданных толщин значением не более 0,15 длины волны верхней границы рабочего диапазона, при этом вблизи апертуры рупора диаметр колец увеличивается, а на конце металлического стержня уменьшается до его поперечного размера.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020115027A RU2734586C1 (ru) | 2020-04-29 | 2020-04-29 | Антенный элемент круговой поляризации |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020115027A RU2734586C1 (ru) | 2020-04-29 | 2020-04-29 | Антенный элемент круговой поляризации |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2734586C1 true RU2734586C1 (ru) | 2020-10-20 |
Family
ID=72940314
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020115027A RU2734586C1 (ru) | 2020-04-29 | 2020-04-29 | Антенный элемент круговой поляризации |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2734586C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2819745C1 (ru) * | 2023-11-28 | 2024-05-23 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точных приборов" (АО "НИИ ТП") | Моноимпульсный облучатель круговой поляризации |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1078512A1 (ru) * | 1982-12-02 | 1984-03-07 | Львовский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.Ленинского Комсомола | Антенна поверхностной волны |
SU1758732A1 (ru) * | 1989-12-22 | 1992-08-30 | Киевское Высшее Военное Инженерное Дважды Краснознаменное Училище Связи Им.М.И.Калинина | Двухдиапазонный облучатель с круговой пол ризацией пол |
RU2293408C1 (ru) * | 2005-09-02 | 2007-02-10 | Александр Иванович Шалякин | Облучатель зеркальной антенны |
CN106329118A (zh) * | 2016-11-07 | 2017-01-11 | 天津津航计算技术研究所 | 一种星载圆极化喇叭阵列天线 |
-
2020
- 2020-04-29 RU RU2020115027A patent/RU2734586C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1078512A1 (ru) * | 1982-12-02 | 1984-03-07 | Львовский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.Ленинского Комсомола | Антенна поверхностной волны |
SU1758732A1 (ru) * | 1989-12-22 | 1992-08-30 | Киевское Высшее Военное Инженерное Дважды Краснознаменное Училище Связи Им.М.И.Калинина | Двухдиапазонный облучатель с круговой пол ризацией пол |
RU2293408C1 (ru) * | 2005-09-02 | 2007-02-10 | Александр Иванович Шалякин | Облучатель зеркальной антенны |
CN106329118A (zh) * | 2016-11-07 | 2017-01-11 | 天津津航计算技术研究所 | 一种星载圆极化喇叭阵列天线 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2819745C1 (ru) * | 2023-11-28 | 2024-05-23 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точных приборов" (АО "НИИ ТП") | Моноимпульсный облучатель круговой поляризации |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0376540B1 (en) | Compensated microwave feed horn | |
KR0148253B1 (ko) | 매립형 표면파 안테나 | |
EP0632523B1 (en) | A planar antenna | |
JP3718527B2 (ja) | 平面型アンテナ | |
JP4822262B2 (ja) | 円形導波管アンテナ及び円形導波管アレーアンテナ | |
US6208308B1 (en) | Polyrod antenna with flared notch feed | |
US7183991B2 (en) | Multiple flared antenna horn with enhanced aperture efficiency | |
US5134420A (en) | Bicone antenna with hemispherical beam | |
US10218076B1 (en) | Hexagonal waveguide based circularly polarized horn antennas | |
US2840818A (en) | Slotted antenna | |
US11545757B2 (en) | Dual end-fed broadside leaky-wave antenna | |
US9431715B1 (en) | Compact wide band, flared horn antenna with launchers for generating circular polarized sum and difference patterns | |
JP3026171B2 (ja) | アンテナ装置 | |
US4225869A (en) | Multislot bicone antenna | |
Cheng et al. | Metasurface concept for mm-wave wideband circularly polarized horns design | |
RU2734586C1 (ru) | Антенный элемент круговой поляризации | |
Dong et al. | Realization of a composite right/left-handed leaky-wave antenna with circular polarization | |
USH584H (en) | Dielectric omni-directional antennas | |
CN107482311B (zh) | 螺旋天线系统 | |
US4516131A (en) | Variable slot conductance dielectric antenna and method | |
Shaw et al. | A comparative study on substrate integrated waveguide periodic leaky wave antennas with differently shaped periodic slots | |
Zamora et al. | One-Dimensional Leaky-Wave Antennas with Narrow Beam and Low Sidelobes | |
US2501105A (en) | Microwave antenna | |
RU2776726C1 (ru) | Широкополосная расфазированная рупорная антенна Бобкова | |
JP3029003B2 (ja) | 直線偏波用平面アンテナ |