RU2819745C1 - Circular polarization monopulse feed - Google Patents
Circular polarization monopulse feed Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819745C1 RU2819745C1 RU2023131606A RU2023131606A RU2819745C1 RU 2819745 C1 RU2819745 C1 RU 2819745C1 RU 2023131606 A RU2023131606 A RU 2023131606A RU 2023131606 A RU2023131606 A RU 2023131606A RU 2819745 C1 RU2819745 C1 RU 2819745C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cylindrical pipe
- circular polarization
- outer cylindrical
- waveguide
- channel
- Prior art date
Links
- 230000010287 polarization Effects 0.000 title claims abstract description 61
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве облучателя в зеркальной следящей антенне с круговой поляризацией.The invention relates to antenna technology and can be used as a feed in a mirror tracking antenna with circular polarization.
Для связи с космическими объектами широко применяются зеркальные моноимпульсные антенны, работающие на круговой (эллиптической) поляризации. В литературе описано большое количество моноимпульсных облучателей круговой поляризации для таких антенн [1 - Hawkins G., Edwards D., McGeehan J. Tracking systems for satellite communications, IEE Proceedings, Part F, 1988, Vol. 135, No.5, pp. 393-407], которые можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся облучатели, представляющие собой антенные решетки из четырех излучателей круговой поляризации, к которым подключена диаграммо-образующая схема, имеющая входы для суммарного и разностного каналов. В таких облучателях обычно формируются три диаграммы направленности (ДН) - суммарная (ε) и две разностные (Δ) с нулями в ортогональных плоскостях. Недостатками таких облучателей являются их громоздкость, высокие требования к идентичности излучателей, а также неоптимальное облучение зеркала разностной ДН.For communications with space objects, mirror monopulse antennas operating on circular (elliptical) polarization are widely used. A large number of monopulse circularly polarized feeds for such antennas are described in the literature [1 - Hawkins G., Edwards D., McGeehan J. Tracking systems for satellite communications, IEE Proceedings, Part F, 1988, Vol. 135, No.5, pp. 393-407], which can be divided into two groups. The first group includes feeders, which are antenna arrays of four circularly polarized emitters, to which a beamforming circuit is connected, which has inputs for the sum and difference channels. In such feeds, three radiation patterns (DP) are usually formed - total (ε) and two difference (Δ) with zeros in orthogonal planes. The disadvantages of such irradiators are their bulkiness, high requirements for the identity of the emitters, as well as non-optimal irradiation of the differential pattern mirror.
Ко второй группе можно отнести многомодовые облучатели рупорного типа, в которых для создания суммарной и разностной ДН используется общий раскрыв рупора. В этих облучателях формируются только две ДН - суммарная и разностная воронкообразная, для которых используется возбуждение разных волноводных мод в рупоре. Реализация воронкообразной ДН на круговой поляризации является сложной задачей и осуществляется обычно с применением 8-канальных ответвителей, возбуждающих в круглом волноводе две волны Н21 через отверстия связи [2 - Choung Y.H., Goudey K.R. and Bryans L.G. Theory and design of a KU-band TE21-mode coupler, IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, 1982, Vol. 30, No. 11, pp. 1862-1866], [3 - Воробьев Н.Ю., Габриэльян Д.Д. и др. Анализ влияния параметров двухканальной моноимпульсной системы на основе зеркальной антенны с одним облучателем на ошибки измерения угловых координат, Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], 2013, №3], либо через возбудители с полной связью для волны Н21 [4 - Armaki S.H.M, Kashani F.H., Mohassel J.R. and Fallah M. A high performance mode coupler for tracking feed antennas, Journal of Telecommunications, 2011, Vol. 7, No.2, pp. 19-22]. В результате этого, конструкция облучателя получается сложной и громоздкой.The second group includes multimode horn-type feeds, in which a common horn aperture is used to create the total and difference patterns. In these feeds, only two patterns are formed - the total and the difference funnel-shaped ones, for which the excitation of different waveguide modes in the horn is used. The implementation of a funnel-shaped pattern on circular polarization is a complex task and is usually carried out using 8-channel couplers that excite two H21 waves in a circular waveguide through coupling holes [2 - Choung YH, Goudey KR and Bryans LG Theory and design of a KU-band TE 21 -mode coupler, IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, 1982, Vol. 30, No. 11, pp. 1862-1866], [3 - Vorobiev N.Yu., Gabrielyan D.D. and others. Analysis of the influence of the parameters of a two-channel monopulse system based on a mirror antenna with one feed on errors in measuring angular coordinates, Journal of Radio Electronics [electronic journal], 2013, No. 3], or through exciters with full coupling for wave H21 [4 - Armaki SHM, Kashani FH, Mohassel JR and Fallah M. A high performance mode coupler for tracking feed antennas, Journal of Telecommunications, 2011, Vol. 7, No.2, pp. 19-22]. As a result, the design of the irradiator is complex and bulky.
Известна более простая конструкция моноимпульсного облучателя с общим раскрывом рупора, в которой в суммарном канале реализуется ДН на круговой поляризации с использованием волн H11 в круглом волноводе, а в разностном канале реализуется ДН на радиальной (линейной) поляризации с использованием волны Е01 круглого волновода [5 - Cook J.S., Lowell R. The Autotrack System. The Bell System Technical Journal, July 1963, pp. 1283-1307], [6 - Внотченко С.Л., Конев В.Г., Лаврецкий Е.И., Чернышов B.C. Следящая двухканальная моноимпульсная антенна с волной Е01, Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], 2021, №5]. Однако антенна с таким облучателем может сопровождать объекты (источники радиосигнала от космических или летательных аппаратов), работающие только на круговой поляризации. Для облучателя с разностной ДН на волне Е01 крутизна пеленгационной характеристики по напряжению (ПХ) в раз ниже, чем в системах с разностной ДН на круговой поляризации.A simpler design of a monopulse feed with a common horn aperture is known, in which a circularly polarized pattern is implemented in the total channel using H11 waves in a circular waveguide, and a radial (linear) polarized pattern is realized in the difference channel using the E01 wave of a circular waveguide [5 - Cook JS, Lowell R. The Autotrack System. The Bell System Technical Journal, July 1963, pp. 1283-1307], [6 - Vnotchenko S.L., Konev V.G., Lavretsky E.I., Chernyshov V.S. Tracking two-channel monopulse antenna with wave E 01 , Journal of Radio Electronics [electronic journal], 2021, No. 5]. However, an antenna with such a feed can track objects (radio signal sources from space or aircraft) operating only on circular polarization. For an irradiator with a difference pattern at wave E01, the slope of the direction finding characteristic by voltage (DF) is in times lower than in systems with difference patterns on circular polarization.
Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является моноимпульсный облучатель, в котором суммарный канал выполнен на круглом волноводе с волной НИ, а разностный канал выполнен на коаксиальном волноводе с волной ТЕМ [7 - Патент US 4041499, Chung-Yeh Liu Ch., Fuller J.A. Coaxial waveguide antenna], [8 - Патент US6323819, Ergene A. Dual band multimode coaxial tracking feed]. Известный моноимпульсный облучатель [7], взятый за прототип, состоит из двух концентрических полых металлических цилиндрических труб - внутренней и внешней, при этом внутренняя труба образует круглый волновод с волной НИ, между внутренней и внешней трубами образуется коаксиальный волновод с волной ТЕМ. Для создания сигналов круговой поляризации в суммарном канале в круглом волноводе установлена поляризационная секция [7], возбуждение волны ТЕМ в коаксиальном волноводе выполнялось парой зондов [7]. По своим характеристикам моноимпульсный облучатель с разностным каналом на волне ТЕМ коаксиального волновода близок вышеописанному облучателю с разностным каналом на волне Е01 круглого волновода, но имеет конструктивное достоинство - отдельный тракт по волне ТЕМ для разностного канала.The closest technical solution of the same purpose to the claimed invention in terms of the set of features is a monopulse feeder, in which the total channel is made on a round waveguide with a NI wave, and the difference channel is made on a coaxial waveguide with a TEM wave [7 - Patent US 4041499, Chung-Yeh Liu Ch., Fuller J.A. Coaxial waveguide antenna], [8 - Patent US6323819, Ergene A. Dual band multimode coaxial tracking feed]. The well-known monopulse irradiator [7], taken as a prototype, consists of two concentric hollow metal cylindrical pipes - an inner and an outer one, while the inner pipe forms a round waveguide with a NI wave, and a coaxial waveguide with a TEM wave is formed between the inner and outer pipes. To create circularly polarized signals in the sum channel, a polarization section was installed in a circular waveguide [7], and the TEM wave was excited in the coaxial waveguide by a pair of probes [7]. In terms of its characteristics, a monopulse feed with a difference channel on the TEM wave of a coaxial waveguide is similar to the above-described feed with a difference channel on the E01 wave of a circular waveguide, but has a design advantage - a separate path along the TEM wave for the difference channel.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании данного известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве в разностном канале формируется ДН не на круговой поляризации, а на радиальной поляризации. Это приводит к тому, что антенна с таким облучателем может сопровождать источники радиосигнала, работающие только на круговой поляризации. Если сигнал от сопровождаемого объекта имеет низкий коэффициент эллиптичности (КЭ), то следящую систему выбьет, или втягивание может происходить по спирали [5], [6]. Другим недостатком известного устройства является то, что крутизна ПХ по напряжению в раз ниже, чем в известных системах с разностной ДН на круговой поляризации [5]. Третьим недостатком известной системы является то, что такая система не может в принципе осуществлять автосопровождение при наличии поляризационного уплотнения, когда одновременно приходят волны левой и правой круговых поляризаций, т.к. в разностном канале будут одновременно возбуждаться и интерферировать сигналы от обеих приходящих волн.The reasons preventing the achievement of the technical result indicated below when using this known device, adopted as a prototype, include the fact that in the known device in the difference channel a pattern is formed not on circular polarization, but on radial polarization. This leads to the fact that an antenna with such a feed can accompany radio signal sources operating only on circular polarization. If the signal from the tracked object has a low coefficient of ellipticity (EC), then the tracking system will be knocked out, or the retraction may occur in a spiral [5], [6]. Another disadvantage of the known device is that the voltage slope of the PH is times lower than in known systems with difference patterns on circular polarization [5]. The third disadvantage of the known system is that such a system cannot, in principle, carry out auto-tracking in the presence of polarization multiplexing, when waves of left and right circular polarizations arrive simultaneously, because in the difference channel, signals from both incoming waves will be simultaneously excited and interfere.
Важным показателем качества моноимпульсного облучателя с круговой поляризацией является значение коэффициента эллиптичности в ДН разностного канала, который равен отношению малой и большой осей поляризационного эллипса. Другим важным показателем качества моноимпульсного облучателя является значение крутизны ПХ по напряжению. Третьим показателем качества моноимпульсного облучателя с круговой поляризацией является компактность облучателя (габаритные размеры в сравнении с размерами известных систем). Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является низкий коэффициент эллиптичности в ДН разностного канала в известном устройстве.An important indicator of the quality of a monopulse feed with circular polarization is the value of the ellipticity coefficient in the pattern of the difference channel, which is equal to the ratio of the minor and major axes of the polarization ellipse. Another important indicator of the quality of a monopulse irradiator is the value of the voltage transconductance. The third indicator of the quality of a monopulse irradiator with circular polarization is the compactness of the irradiator (overall dimensions in comparison with the dimensions of known systems). The technical problem to be solved by the present invention is the low ellipticity coefficient in the pattern of the difference channel in the known device.
Для решения указанной технической проблемы предлагается моноимпульсный облучатель круговой поляризации, имеющий компактную конструкцию, состоящий из двух концентрических полых металлических цилиндрических труб - внутренней и внешней, когда внутренняя цилиндрическая труба образует круглый волновод с волной H11 для суммарного канала, а между внутренней и внешней цилиндрическими трубами образуется коаксиальный волновод с волной ТЕМ для формирования разностного канала, решает задачи обеспечения высокого значения коэффициента эллиптичности в ДН разностного канала и обеспечения ПХ с крутизной по напряжению в раз выше по сравнению с известной системой.To solve this technical problem, a monopulse circularly polarized feed is proposed, which has a compact design, consisting of two concentric hollow metal cylindrical pipes - internal and external, when the inner cylindrical pipe forms a round waveguide with wave H11 for the total channel, and between the inner and outer cylindrical pipes a coaxial waveguide with a TEM wave for the formation of a difference channel, solves the problem of ensuring a high value of the ellipticity coefficient in the pattern of the difference channel and providing a PH with a voltage slope of times higher compared to the known system.
Согласно изобретению, во внутренней цилиндрической трубе круглый волновод переходит в конический рупор, раскрыв которого расположен внутри внешней цилиндрической трубы; выполнено скачкообразное увеличение внутреннего диаметра внешней цилиндрической трубы, на скачке сечения в области большего внутреннего диаметра внешней цилиндрической трубы установлено диэлектрическое кольцо с системой наклонных металлических полосков (вибраторов), представляющее собой преобразователь поляризации; набегающая волна ТЕМ в коаксиальном волноводе после прохождения через преобразователь поляризации формирует разностную ДН с круговой поляризацией. При практической реализации преобразователя поляризации металлические полоски могут быть выполнены на диэлектрическом кольце с относительной диэлектрической проницаемостью εr=2÷4. Концы металлических полосков могут не касаться стенок коаксиального волновода.According to the invention, in the inner cylindrical pipe the round waveguide passes into a conical horn, the opening of which is located inside the outer cylindrical pipe; an abrupt increase in the internal diameter of the outer cylindrical pipe was performed; at the cross-sectional jump in the area of the larger internal diameter of the outer cylindrical pipe, a dielectric ring with a system of inclined metal strips (vibrators) was installed, which is a polarization converter; the incident TEM wave in a coaxial waveguide, after passing through a polarization converter, forms a difference pattern with circular polarization. In the practical implementation of a polarization converter, metal strips can be made on a dielectric ring with a relative dielectric constant ε r =2÷4. The ends of the metal strips may not touch the walls of the coaxial waveguide.
Техническим результатом является достижение коэффициента эллиптичности в ДН разностного канала, значение которого будет не менее 0,7 по мощности, достижение крутизны ПХ по напряжению, значение которой в раз выше по сравнению с известной системой, а также получение компактной конструкции облучателя, перспективной для бортовых применений. Дополнительным техническим результатом является возможность осуществлять автосопровождение при наличии поляризационного уплотнения, т.к. в разностном канале будет возбуждаться сигнал только от волны с одним видом круговой поляризации.The technical result is to achieve an ellipticity coefficient in the DP of the difference channel, the value of which will be at least 0.7 in terms of power, to achieve a voltage slope of the PH, the value of which is in times higher compared to the known system, as well as obtaining a compact irradiator design that is promising for onboard applications. An additional technical result is the ability to carry out auto tracking in the presence of polarization seal, because in the difference channel, a signal will be excited only from a wave with one type of circular polarization.
На фиг.1 показан вариант выполнения предлагаемого моноимпульсного облучателя круговой поляризации.Figure 1 shows an embodiment of the proposed monopulse irradiator with circular polarization.
На фиг.2 представлена одна из возможных конструктивных реализаций возбудителя волны ТЕМ в коаксиальном волноводе для такого облучателя.Figure 2 shows one of the possible design implementations of a TEM wave exciter in a coaxial waveguide for such an irradiator.
На фиг.3 показана фотография макета предлагаемого моноимпульсного облучателя круговой поляризации, предназначенного для работы в диапазоне частот от 18 до 20 ГГц.Figure 3 shows a photograph of a prototype of the proposed monopulse circularly polarized feed, designed to operate in the frequency range from 18 to 20 GHz.
На фиг.4 показаны расчетные характеристики для макета:Figure 4 shows the calculated characteristics for the layout:
- на фиг.4а показаны ДН разностного канала, рассчитанные на частотах 18, 19, 19,5 и 20 ГГц;- Fig. 4a shows the patterns of the difference channel, calculated at frequencies of 18, 19, 19.5 and 20 GHz;
- на фиг.4б показаны ДН суммарного канала, рассчитанные на частотах 18, 19, 19,5 и 20 ГГц;- Fig. 4b shows the patterns of the total channel, calculated at frequencies of 18, 19, 19.5 and 20 GHz;
- на фиг.4в показаны КЭ разностного канала, рассчитанные на частотах 18, 19, 19,5 и 20 ГГц;- Fig. 4c shows the FE of the difference channel, calculated at frequencies of 18, 19, 19.5 and 20 GHz;
- на фиг.4г показаны КСВН суммарного и разностного канала, рассчитанные в диапазоне частот от 18 до 20 ГГц.- Fig. 4d shows the VSWR of the sum and difference channel, calculated in the frequency range from 18 to 20 GHz.
На фигуре 1 приняты следующие обозначения:In figure 1 the following notations are used:
1 - внутренняя цилиндрическая труба;1 - internal cylindrical pipe;
2 - внешняя цилиндрическая труба;2 - external cylindrical pipe;
3 - металлические полоски (вибраторы);3 - metal strips (vibrators);
4 - преобразователь поляризации (диэлектрическое кольцо с системой наклонных металлических полосков (вибраторов));4 - polarization converter (dielectric ring with a system of inclined metal strips (vibrators));
5 - конический рупор во внутренней цилиндрической трубе;5 - conical horn in the inner cylindrical pipe;
L- расстояние от торца внешней цилиндрической трубы (т.е. от раскрыва облучателя) до раскрыва конического рупора во внутренней цилиндрической трубе.L is the distance from the end of the outer cylindrical pipe (i.e. from the feed opening) to the opening of the conical horn in the inner cylindrical pipe.
Облучатель состоит из двух металлических полых концентрических цилиндрических труб - внутренней (1) и внешней (2), при этом внутренняя цилиндрическая труба (1) образует круглый волновод. Между внутренней и внешней цилиндрическими трубами (1) и (2) образуется коаксиальный волновод; внутренняя и внешняя цилиндрические трубы (1) и (2) образуют соответственно внутренний и внешний проводники коаксиального волновода; в коаксиальном волноводе выполнен скачок сечения внешнего проводника (путем скачкообразного увеличения внутреннего диаметра внешней цилиндрической трубы), за которым установлено диэлектрическое кольцо с системой наклонных металлических полосков (вибраторов) (3) на одной стороне диэлектрика, представляющее собой преобразователь поляризации (4). Внутренняя цилиндрическая труба (1) содержит конический рупор (5), возбуждаемый круглым волноводом; он формирует суммарную ДН на круговой поляризации. Внутренняя цилиндрическая труба (1) заканчивается внутри внешней цилиндрической трубы (2) на расстоянии L≥0 от торца внешней цилиндрической трубы (2). Торец внешней цилиндрической трубы (2) образует раскрыв облучателя.The feed consists of two metal hollow concentric cylindrical pipes - internal (1) and external (2), while the internal cylindrical pipe (1) forms a round waveguide. A coaxial waveguide is formed between the inner and outer cylindrical pipes (1) and (2); the inner and outer cylindrical pipes (1) and (2) form the inner and outer conductors of the coaxial waveguide, respectively; in the coaxial waveguide there is a jump in the cross-section of the outer conductor (by abruptly increasing the internal diameter of the outer cylindrical tube), behind which a dielectric ring is installed with a system of inclined metal strips (vibrators) (3) on one side of the dielectric, which is a polarization converter (4). The inner cylindrical tube (1) contains a conical horn (5), excited by a circular waveguide; it forms the total pattern on circular polarization. The inner cylindrical pipe (1) ends inside the outer cylindrical pipe (2) at a distance L≥0 from the end of the outer cylindrical pipe (2). The end of the outer cylindrical pipe (2) forms the opening of the irradiator.
Рассмотрим функционирование моноимпульсного облучателя круговой поляризации. По теореме взаимности рассмотрим работу моноимпульсного облучателя в передающем режиме. Пусть на вход круглого волновода поступают волны Н11 с ортогональными круговыми поляризациями. Волны с круговой поляризацией поступают в конический рупор (5) и излучаются в свободное пространство, формируя суммарные ДН на двух ортогональных круговых поляризациях. Рассмотрим далее коаксиальный волновод, образованный между двумя концентрическими полыми металлическими цилиндрическими трубами. Диаметры цилиндрических труб выбраны таким образом, что в коаксиальном волноводе может распространяться только низшая осесимметричная мода ТЕМ, высшие моды находятся в отсечке. В коаксиальном волноводе выполнен скачок сечения (скачкообразное увеличение внутреннего диаметра внешней цилиндрической трубы), за которым установлен преобразователь поляризации (4). Пусть на вход коаксиального волновода поступает волна ТЕМ, которая распространяется до скачка сечения коаксиального волновода и наводит на металлических полосках (вибраторах) (3) преобразователя поляризации (4) электрические токи. Токи на металлических полосках (вибраторах) (3) содержат азимутальную составляющую, поэтому они возбуждают в большем коаксиальном волноводе волну Н01. После преобразователя поляризации (4) распространяется комбинация волн ТЕМ и Н01, которые приобретают квадратурную разность фаз и, в итоге, излучаются с формированием разностной ДН на круговой поляризации. Вид круговой поляризации определяется направлением наклона металлических полосков (вибраторов) (3) на преобразователе поляризации (4). Если металлические полоски (вибраторы) (3) наклонены по часовой стрелке для наблюдателя со стороны коаксиального входа моноимпульсного облучателя, то формируется разностная ДН на правой поляризации. Наоборот, если металлические полоски (вибраторы) (3) наклонены против часовой стрелки (для того же наблюдателя), то формируется разностная ДН на левой поляризации. На фиг.1 показан вариант с правой поляризацией в разностном канале.Let's consider the functioning of a monopulse circularly polarized feed. According to the reciprocity theorem, we will consider the operation of a monopulse feed in the transmitting mode. Let H11 waves with orthogonal circular polarizations arrive at the input of the circular waveguide. Waves with circular polarization enter the conical horn (5) and are radiated into free space, forming total patterns at two orthogonal circular polarizations. Let us next consider a coaxial waveguide formed between two concentric hollow metal cylindrical pipes. The diameters of the cylindrical pipes are chosen in such a way that only the lowest axisymmetric TEM mode can propagate in the coaxial waveguide; higher modes are cut off. The coaxial waveguide has a cross-sectional jump (an abrupt increase in the internal diameter of the outer cylindrical pipe), behind which a polarization converter (4) is installed. Let a TEM wave arrive at the input of the coaxial waveguide, which propagates to a jump in the cross-section of the coaxial waveguide and induces electric currents on the metal strips (vibrators) (3) of the polarization converter (4). The currents on the metal strips (vibrators) (3) contain an azimuthal component, so they excite the H01 wave in the larger coaxial waveguide. After the polarization converter (4), a combination of TEM and H01 waves propagates, which acquire a quadrature phase difference and, ultimately, are emitted to form a differential pattern on circular polarization. The type of circular polarization is determined by the direction of inclination of the metal strips (vibrators) (3) on the polarization converter (4). If the metal strips (vibrators) (3) are tilted clockwise for an observer from the side of the coaxial input of the monopulse feed, then a difference pattern is formed on the right polarization. On the contrary, if the metal strips (vibrators) (3) are tilted counterclockwise (for the same observer), then a difference pattern is formed on the left polarization. Figure 1 shows a variant with right-hand polarization in the difference channel.
Рассмотрим, что происходит с характеристикой по показателю качества- коэффициенту эллиптичности в ДН разностного канала. При отсутствии преобразователя поляризации (4) волна ТЕМ коаксиального волновода формирует разностную ДН на радиальной поляризации, в которой для системы сферических координат в раскрыве рупора имеется только Еθ - единственная ненулевая компонента электрического поля в дальней зоне, поэтому коэффициент эллиптичности равен нулю. При установке преобразователя поляризации (4) на скачке сечения коаксиального волновода поле излучения в дальней зоне в разностной ДН содержит обе ненулевые сферические компоненты электрического поля Еθ и Еϕ, возбуждаемые в квадратуре. В результате обеспечивается круговая поляризация с коэффициентом эллиптичности по мощности не менее 0,7. Наличие высокого коэффициента эллиптичности означает, что в разностном канале будет обеспечена поляризационная развязка, благодаря чему система автосопровождения сможет работать при поляризационном уплотнении, обеспечивая автосопровождение по выбранному сигналу одной круговой поляризации. Действительно, при приеме от источника одновременно двух сигналов на разных круговых поляризациях сигнал выбранной (главной) круговой поляризации, проходя через преобразователь поляризации (4), будет возбуждать в коаксиальном волноводе волну ТЕМ. Сигнал ортогональной круговой поляризации является помеховым сигналом для разностного канала, этот сигнал будет проходить через преобразователь поляризации (4) и возбуждать волну ТЕМ в коаксиальном волноводе со значительным ослаблением (не менее 15 дБ, если в приходящей от источника волне КЭ=0,7 по мощности). Заметим, что предлагаемый моноимпульсный облучатель круговой поляризации принципиально имеет разностный канал только для одного типа круговой поляризации.Let's consider what happens to the characteristic according to the quality indicator - the ellipticity coefficient in the pattern of the difference channel. In the absence of a polarization converter (4), the TEM wave of the coaxial waveguide forms a difference pattern on radial polarization, in which for a system of spherical coordinates in the horn aperture there is only E θ - the only non-zero component of the electric field in the far zone, therefore the ellipticity coefficient is zero. When installing the polarization converter (4) at the jump in the cross-section of the coaxial waveguide, the radiation field in the far zone in the difference pattern contains both non-zero spherical components of the electric field E θ and E ϕ , excited in quadrature. As a result, circular polarization is ensured with a power ellipticity coefficient of at least 0.7. The presence of a high ellipticity coefficient means that polarization isolation will be provided in the difference channel, due to which the auto-tracking system can operate with polarization multiplexing, providing auto-tracking for the selected signal of one circular polarization. Indeed, when two signals with different circular polarizations are simultaneously received from a source, the signal of the selected (main) circular polarization, passing through the polarization converter (4), will excite a TEM wave in the coaxial waveguide. The orthogonal circular polarization signal is an interference signal for the difference channel; this signal will pass through the polarization converter (4) and excite the TEM wave in the coaxial waveguide with significant attenuation (at least 15 dB, if in the wave coming from the source, CE = 0.7 in power ). Note that the proposed monopulse circular polarization feeder fundamentally has a difference channel only for one type of circular polarization.
Рассмотрим, что при этом происходит с характеристикой по другому показателю качества - по крутизне ПХ моноимпульсного облучателя. Пеленгационная характеристика по напряжению равна отношению напряжений сигналов, принятых по разностному каналу и суммарному (опорному) каналу [9 - Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация, М.: Радио и связь, 1984, 312 с.]. При введении в моноимпульсный облучатель преобразователя поляризации (4) в разностном канале принимается примерно в 2 раза большая СВЧ-мощность, чем для моноимпульсного облучателя без преобразователя поляризации. Следовательно, напряжение сигнала в разностном канале будет в раз больше, что приводит к тому, что и крутизна ПХ будет в раз больше с преобразователем поляризации (4).Let us consider what happens to the characteristic in terms of another quality indicator - the slope of the PH of a monopulse irradiator. The direction finding characteristic in terms of voltage is equal to the ratio of the voltages of the signals received via the difference channel and the total (reference) channel [9 - Leonov A.I., Fomichev K.I. Monopulse radar, M.: Radio and communication, 1984, 312 pp.]. When a polarization converter (4) is introduced into the monopulse feed, approximately 2 times more microwave power is received in the difference channel than for a single-pulse feed without a polarization converter. Therefore, the signal voltage in the difference channel will be in times greater, which leads to the fact that the slope of the PH will be in times more with a polarization converter (4).
На фиг.2 представлена одна из возможных конструктивных реализаций возбудителя волны ТЕМ в коаксиальном волноводе для такого облучателя (возбуждение Н-тройником волноводного двойного Т-моста). В качестве другой конструктивной реализации может быть рассмотрено непосредственное возбуждение коаксиального волновода с помощью зондов, запитываемых коаксиальным кабелем (аналогично [7]).Figure 2 shows one of the possible design implementations of a TEM wave exciter in a coaxial waveguide for such an irradiator (excitation by an H-tee of a waveguide double T-bridge). As another design implementation, direct excitation of a coaxial waveguide using probes powered by a coaxial cable can be considered (similar to [7]).
Структура моноимпульсного облучателя является простой и компактной по сравнению с конструкциями известных моноимпульсных облучателей с разностным каналом на круговой поляризации. На фиг.3 показана фотография макета предлагаемого моноимпульсного облучателя круговой поляризации, предназначенного для работы в диапазоне частот от 18 до 20 ГГц. На фиг.4 показаны расчетные характеристики для макета, ДН рассчитаны на частотах 18, 19, 19,5 и 20 ГТц. Следует отметить одну особенность полученных расчетных ДН, заключающуюся в том, что разностная ДН по угловым размерам уже суммарной ДН. В обычных моноимпульсных облучателях с общим раскрывом рупора наоборот - разностная ДН шире суммарной ДН. В этом случае используется общепринятое правило, заключающееся в том, что для получения максимальной энергетики по ε каналу края зеркала облучаются по уровню минус 10 дБ. Если это правило применять в нашем случае, то облучение зеркала по разностному каналу будет происходить не только по основному лепестку, но и по боковым, что недопустимо как с точки зрения получения максимального коэффициента направленного действия, так и КЭ. В результате расчетов и экспериментов было найдено, что при использовании предлагаемого моноимпульсного облучателя наиболее оптимальные электрические характеристики зеркальной антенны получаются при соотношении фокусного расстояния к диаметру зеркала (F/D), равном 0,9÷1,0.The structure of the monopulse feed is simple and compact compared to the designs of known monopulse feeds with a difference channel on circular polarization. Figure 3 shows a photograph of a prototype of the proposed monopulse circularly polarized feed, designed to operate in the frequency range from 18 to 20 GHz. Figure 4 shows the calculated characteristics for the layout; the patterns are calculated at frequencies of 18, 19, 19.5 and 20 GHz. One feature of the obtained calculated patterns should be noted, which is that the difference pattern in angular dimensions is narrower than the total pattern. In conventional monopulse feeds with a common horn aperture, on the contrary, the difference pattern is wider than the total pattern. In this case, the generally accepted rule is used, which is that in order to obtain maximum energy through the ε channel, the edges of the mirror are irradiated at a level of minus 10 dB. If this rule is applied in our case, then the irradiation of the mirror through the difference channel will occur not only along the main lobe, but also along the side ones, which is unacceptable both from the point of view of obtaining the maximum directivity coefficient and FE. As a result of calculations and experiments, it was found that when using the proposed monopulse feed, the most optimal electrical characteristics of the mirror antenna are obtained with a ratio of focal length to mirror diameter (F/D) equal to 0.9÷1.0.
Экспериментальные данные подтверждают результаты расчетов. Предлагаемый моноимпульсный облучатель круговой поляризации в составе параболического зеркала может обеспечить высокие электрические характеристики в полосе частот порядка 10% при КЭ по разностному каналу не менее 0,7 по мощности.Experimental data confirm the calculation results. The proposed monopulse circularly polarized irradiator as part of a parabolic mirror can provide high electrical characteristics in a frequency band of the order of 10% with FE in a difference channel of at least 0.7 in power.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates that the following set of conditions are met when using the claimed invention:
- моноимпульсный облучатель круговой поляризации, воплощающий заявленное изобретение, предназначен для использования в промышленности, а именно, в технике антенн, например, в качестве облучателя в зеркальной следящей антенне с круговой поляризацией;- a monopulse circularly polarized feed embodying the claimed invention is intended for use in industry, namely, in antenna technology, for example, as a feed in a mirror tracking antenna with circular polarization;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;- for the claimed device in the form as it is characterized in the independent claim of the stated claims, the possibility of its implementation using the means described in the application has been confirmed;
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, позволяет реализовать следующий технический результат: получить компактный моноимпульсный облучатель круговой поляризации, перспективный для бортовых применений, в котором значение крутизны ПХ по напряжению ≈ в раз выше по сравнению с известной системой с разностным каналом на ТЕМ волне, в котором обеспечивается высокое значение коэффициента эллиптичности в ДН разностного канала (не менее 0,7 по мощности), что позволит обеспечить эффективную работу системы автосопровождения в зеркальной антенне в условиях поляризационного уплотнения.- the antenna device embodying the claimed invention makes it possible to realize the following technical result: to obtain a compact monopulse circularly polarized feed source, promising for onboard applications, in which the value of the voltage transconductance ≈ times higher compared to the known system with a difference channel on the TEM wave, which provides a high value of the ellipticity coefficient in the pattern of the difference channel (at least 0.7 in power), which will ensure effective operation of the auto-tracking system in the mirror antenna under conditions of polarization multiplexing.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2819745C1 true RU2819745C1 (en) | 2024-05-23 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4041499A (en) * | 1975-11-07 | 1977-08-09 | Texas Instruments Incorporated | Coaxial waveguide antenna |
| US4707702A (en) * | 1985-01-21 | 1987-11-17 | National Research Development Corporation | Circularly polarizing antenna feed |
| SU1702463A1 (en) * | 1990-02-05 | 1991-12-30 | Киевское Высшее Военное Инженерное Дважды Краснознаменное Училище Связи Им.М.И.Калинина | Autotracking mirror antenna feed |
| US6323819B1 (en) * | 2000-10-05 | 2001-11-27 | Harris Corporation | Dual band multimode coaxial tracking feed |
| RU2310955C2 (en) * | 2005-09-02 | 2007-11-20 | Войсковая часть 45807 | Dual-band circular-polarization feed |
| RU2734586C1 (en) * | 2020-04-29 | 2020-10-20 | Акционерное общество "Научно-производственная фирма "Микран" | Circular polarization antenna element |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4041499A (en) * | 1975-11-07 | 1977-08-09 | Texas Instruments Incorporated | Coaxial waveguide antenna |
| US4707702A (en) * | 1985-01-21 | 1987-11-17 | National Research Development Corporation | Circularly polarizing antenna feed |
| SU1702463A1 (en) * | 1990-02-05 | 1991-12-30 | Киевское Высшее Военное Инженерное Дважды Краснознаменное Училище Связи Им.М.И.Калинина | Autotracking mirror antenna feed |
| US6323819B1 (en) * | 2000-10-05 | 2001-11-27 | Harris Corporation | Dual band multimode coaxial tracking feed |
| RU2310955C2 (en) * | 2005-09-02 | 2007-11-20 | Войсковая часть 45807 | Dual-band circular-polarization feed |
| RU2734586C1 (en) * | 2020-04-29 | 2020-10-20 | Акционерное общество "Научно-производственная фирма "Микран" | Circular polarization antenna element |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3568204A (en) | Multimode antenna feed system having a plurality of tracking elements mounted symmetrically about the inner walls and at the aperture end of a scalar horn | |
| US4041499A (en) | Coaxial waveguide antenna | |
| US7639183B2 (en) | Circularly polarized antenna and radar device using the same | |
| TW494605B (en) | Coaxial dielectric rod antenna | |
| US3389394A (en) | Multiple frequency antenna | |
| US6266025B1 (en) | Coaxial dielectric rod antenna with multi-frequency collinear apertures | |
| US5546096A (en) | Traveling-wave feeder type coaxial slot antenna | |
| EP0456034A2 (en) | Bicone antenna with hemispherical beam | |
| CN114520418A (en) | Dual polarized horn antenna with asymmetric radiation pattern | |
| US9786988B2 (en) | Multiband source with coaxial horn having monopulse tracking systems for a reflector antenna | |
| Makar et al. | Compact antennas with reduced self interference for simultaneous transmit and receive | |
| US6577283B2 (en) | Dual frequency coaxial feed with suppressed sidelobes and equal beamwidths | |
| US3815136A (en) | Coaxial tracking signal coupler for antenna feed horn | |
| US6222492B1 (en) | Dual coaxial feed for tracking antenna | |
| RU2819745C1 (en) | Circular polarization monopulse feed | |
| US3364489A (en) | Traveling wave antenna having radiator elements with doubly periodic spacing | |
| US7852277B2 (en) | Circularly polarized horn antenna | |
| Zhang et al. | Efficient design of axially corrugated coaxial-type multi-band horns for reflector antennas | |
| KR101491725B1 (en) | Duplex band feedhorn | |
| US5973654A (en) | Antenna feed having electrical conductors differentially affecting aperture electrical field | |
| JP2641944B2 (en) | Traveling wave fed coaxial slot antenna | |
| Bhattacharyya et al. | Multiband feed using coaxial configuration | |
| US20200153106A1 (en) | Polarization conversion integrated horn antenna and method of manufacturing the same | |
| Schreiber et al. | Horizontally Polarized Antenna Array for an Airborne Ka-PolInSAR System | |
| Kumar et al. | Design of dielectric rod antenna for ground station applications |