Широкополосная антенна с секторной диаграммой направленности в н-плоскости

Широкополосная антенна с секторной диаграммой направленности в н-плоскости

Реферат

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антеннам СВЧ. Антенна позволяет сформировать секторную диаграмму направленности в Н-плоскости с высокой крутизной скатов и низким уровнем излучения за пределами сектора работы антенны. Антенна содержит плавный переход от прямоугольного волновода к лунарному, выход которого соединен с узким концом секторного коаксиального рупора. Широкий конец рупора является раскрывом антенны. Симметрично относительно рупора расположены два идентичных поглощающих экрана, представляющих собой незамкнутую многогранную поверхность. Каждый экран содержит переднюю, боковые, задние и верхнюю стенки. Расположение экранов и стенок экранов относительно секторного коаксиального рупора определенным образом обеспечивает достигаемый технический результат. 3 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антеннам СВЧ.

Известна рупорная антенна (патент Великобритании N 2 105 112, H 01 Q 13/02, опубл. 16.03.83), содержащая широкоугольный рупор, возбуждаемый с помощью коаксиального кабеля. Она позволяет сформировать широкую диаграмму направленности (ДН) в H-плоскости косинусоидальной формы.

Широкополосная антенна (патент Великобритании N 2213997, H 01 Q 13/02, 1989), как наиболее близкая по технической сущности, принята за прототип.

Прототип содержит плавный переход от прямоугольного волновода к лунарному, выход которого соединен с узким концом секторного коаксиального рупора. Широкий конец рупора является раскрывом антенны. Эта антенна имеет ДН в H-плоскости с низкой крутизной скатов и высоким уровнем излучения вне сектора работы антенны (не более -7 дБ). Это объясняется следующим. Плавный переход от прямоугольного волновода к лунарному преобразует волну H₁₀ прямоугольного волновода в волну H₁₀ секторного коаксиального рупора, которая без возбуждения высших типов волн трансформируется с выхода перехода к раскрыву антенны. На раскрыве рупора формируется косинусоидальное синфазное распределение поля. Вектор при этом направлен перпендикулярно боковым стенкам рупора. Дифракционные процессы на раскрыве большого радиуса невелики, поэтому в H-плоскости формируется ДН, главный лепесток которой также имеет косинусоидальную форму, т. е. ДН антенны в H-плоскости имеет низкую крутизну скатов и высокий уровень излучения вне сектора работы антенны.

Задача настоящего изобретения - формирование секторной ДН в H-плоскости с высокой крутизной скатов и низким уровнем излучения за пределами сектора работы антенны.

Задача решается тем, что в широкополосную антенну с секторной диаграммой направленности в H-плсокости, содержащую плавный переход от прямоугольного волновода к лунарному волноводу, выход которого соединен с узким концом секторного коаксиального рупора, широкий конец которого является раскрывом антенны, введены два идентичных поглощающих экрана, расположенных симметрично относительно секторного коаксиального рупора, каждый из которых выполнен в виде незамкнутой многогранной поверхности и содержит переднюю, боковые, задние и верхнюю стенки, причем поглощающие экраны расположены таким образом, что угол между биссектрисой угла раскрыва антенны и перпендикуляром из продольной оси антенны на ближайшую параллельную оси кромку передней стенки поглощающих экранов составляет где - 2 ширина диаграммы направленности в H-плоскости по уровню половинной мощности, расстояние от этой кромки до продольной оси антенны где - наибольшая длина волны рабочего диапазона частот; S - отношение ширины диаграммы направленности по уровню -1 дБ к ширине диаграммы направленности по уровню -10 дБ, передняя, боковые и задние стенки поглощающих экранов расположены параллельно продольной оси антенны, при этом угол между перпендикулярном из продольной оси антенны на ближайшую параллельную ей кромку передней стенки поглощающих экранов и плоскостью передней стенки более 10^o, крайняя задняя стенка расположена так, что угол между ней и боковой стенкой секторного коаксиального рупора составляет 0 - 20^o, боковые стенки поглощающих экранов выполнены таким образом, что в плоскости, перпендикулярной продольной оси антенны, в каждой точке боковых стенок поглощающих экранов нормаль к внутренней поверхности боковой стенки и направление из этой точки на вертикальную прямую, проходящую через центр боковой кромки раскрыва, расположены по одну сторону от прямой, соединяющей точку на внутренней поверхности боковой стенки поглощающего экрана и продольную ось антенны, причем выполнены соотношения 2>, <45^{, где - угол между направлением из точки на внутренней поверхности боковой стенки поглощающего экрана на продольную ось антенны и нормалью к внутренней поверхности боковой стенки поглощающего экрана в этой точке; - угол между направлениями из точки на внутренней поверхности боковой стенки поглощающего экрана на продольную ось и на вертикальную прямую, проходящую через центр боковой кромки раскрыва, первая задняя стенка поглощающих экранов выполнена таким образом, что в плоскости, перпендикулярной продольной оси антенны, в каждой точке первой задней стенки поглощающего экрана нормаль к ее внутренней поверхности и направление из этой точки на ближайшую параллельную оси кромку передней стенки поглощающего экрана расположены по одну сторону от прямой, соединяющей точку на внутренней поверхности первой задней стенки и продольную ось антенны, причем выполнено соотношение 2₁>₁ , где ₁ - угол между направлением из точки на внутренней поверхности первой задней стенки поглощающего экрана на продольную ось антенны и нормалью к внутренней поверхности задней стенки поглощающего экрана в этой точке; ₁- угол между направлениями из точки на внутренней поверхности первой задней стенки поглощающего экрана на продольную ось антенны и на ближайшую параллельную оси кромку передней стенки поглощающего экрана, верхние стенки поглощающих экранов выполнены таким образом, что в каждой точке верхней стенки поглощающего экрана в плоскости, проходящей через продольную ось антенны и эту точку, нормаль к внутренней поверхности и направление из этой точки на точку нижней кромки боковых или задних стенок поглощающего экрана, расположены по одну сторону от прямой, соединяющей точку на внутренней поверхности верхней стенки поглощающего экрана и вершину секторного коаксиального рупора, причем выполнено соотношение 2₂>₂ , где ₂- угол между нормалью к внутренней поверхности верхней стенки поглощающего экрана и прямой, соединяющей точку на внутренней поверхности верхней стенки с вершиной секторного коаксиального рупора; ₂- угол между прямой, соединяющей точку внутренней поверхности верхней стенки и вершину секторного коаксиального рупора, и направлением из этой точки верхней стенки поглощающего экрана на точку нижней кромки боковых или задних стенок поглощающего экрана.}

На чертеже приведено: фиг. 1 - общий вид предлагаемой антенны; фиг. 2 - вид предлагаемой антенны сверху; фиг. 3 - экспериментальные ДН предлагаемой антенны (а) и прототипа (б).

Антенна содержит плавный переход 1 от прямоугольного волновода к лунарному, секторный коаксиальный рупор 2 и два идентичных поглощающих экрана 3.

Выход перехода 1 соединен с узким концом секторного коаксиального рупора 2, широкий конец которого является раскрывом антенны и расположен ортогонально направлению на максимум ДН в Е-плоскости.

Поглощающие экраны 3 представляют собой незамкнутую многогранную поверхность. Каждый экран 3 содержит переднюю 4, боковые 5, задние 6, 7 и верхнюю 8 стенки. Передние, боковые и задние стенки экрана 3 параллельны продольной оси антенны.

Поглощающие экраны 3 расположены симметрично относительно секторного коаксиального рупора 2 таким образом, что угол (_экр.) между биссектрисой угла раскрыва антенны и перпендикуляром из продольной оси антенны на ближайшую параллельную оси кромку 9 передней стенки 4 составляет где - ширина ДН в H-плоскости по уровню половинной мощности, расстояние от кромки 9 до продольной оси антенны определяется по формуле где - наибольшая длина волны рабочего диапазона частот, S - отношение ширины ДН по уровню -1 дБ к ширине ДН по уровню -10 дБ.

Крайняя задняя стенка 7 экрана 3 соединена с боковой стенкой секторного коаксиального рупора 2 и расположена под углом 0 - 20^o к ней.

Передняя стенка 4 экрана 3 расположена так, что составляет с перпендикуляром, опущенным из продольной оси антенны на кромку 9 передней стенки 4, угол более 10^o.

Боковые стенки 5 экрана 3 расположены таким образом, чтобы прямые и отраженные лучи с интенсивностью 16 дБ не попадали в раскрыв антенны и сектор ее работы, а угол между лучами, идущими из раскрыва антенны на каждую точку боковых стенок не превышал 45^o. Эти условия выполняются, если в плоскости, перпендикулярной продольной оси антенны, в каждой точке боковых стенок 5 экрана 3 нормаль к внутренней поверхности стенки 5 и направление из этой точки на вертикальную прямую, проходящую через центр боковой кромки раскрыва, располагаются по одну сторону от прямой, соединяющей точку на внутренней поверхности боковой стенки 5 и продольную ось антенны, причем выполняются соотношения 2>, <45^{, где - угол между направлением из точки на внутренней поверхности боковой стенки 5 экрана 3 на продольную ось антенны и нормалью к внутренней поверхности боковой стенки 5 в этой точке, - угол между направлениями из точки на внутренней поверхности боковой стенки 5 на продольную ось и на вертикальную прямую, проходящую через центр боковой кромки раскрыва.}

Возможно выполнение боковых стенок 5 в виде плавно изогнутой поверхности.

Первая задняя стенка 6 поглощающих экранов 3 расположена таким образом, что в плоскости, перпендикулярной продольной оси антенны, в каждой точке стенки 6 нормаль к ее внутренней поверхности и направление из этой точки на кромку 9 передней стенки 4 располагаются по одну сторону от прямой, соединяющей эту точку и продольную ось антенны, причем выполняется соотношение 2₁>₁ , где ₁- угол между направлением из точки на внутренней поверхности стенки 6 на продольную ось антенны и нормалью к внутренней поверхности стенки 6 в этой точке, ₁- угол между направлениями из точки на внутренней поверхности стенки 6 на продольную ось антенны и на кромку 9 передней стенки 4.

Верхняя стенка 8 крепится к задним и боковым так, чтобы прямые и отраженные от верхней стенки 8 лучи с интенсивностью свыше -16 дБ не попадали в раскрыв антенны и сектор ее работы. Эти условия выполняются, если верхняя стенка 8 расположена таким образом, что в каждой точке верхней стенки 8 в плоскости, проходящей через продольную ось антенны и эту точку, нормаль к внутренней поверхности и направление из этой точки на точку нижней кромки боковых 5 или задних 6, 7 стенок экрана 3 располагаются по одну сторону от прямой, соединяющей точку на внутренней поверхности стенки 8 и вершину секторного коаксиального рупора 2, причем выполняется соотношение 2₂>₂ , где ₂- угол между нормалью к внутренней поверхности верхней стенки 8 и прямой, соединяющей точку на внутренней поверхности стенки 8 с вершиной секторного коаксиального рупора 2, ₂- угол между прямой, соединяющей точку на внутренней поверхности верхней стенки 8 и вершину секторного коаксиального рупора 2, и направлением из этой точки на точку нижней кромки боковых 5 или задних 6, 7 стенок экрана 3.

При необходимости снижения уровня излучения в нижней полуплоскости можно к задним 6, 7 и боковым 5 стенкам прикрепить нижнюю стенку.

Все стенки соединены между собой вплотную, допускается наличие зазора между задней 6 и боковой 5 стенками не более (2-4), где -- наибольшая длина волны рабочего диапазона частот, при этом уровень излучения, проходящего через этот зазор в пространство, не должен превышать заданной величины.

Экраны выполнены из металла, покрытого радиопоглощающим материалом с коэффициентом отражения по мощности не более 4%.

Предлагаемая антенна работает следующим образом.

На входе плавного перехода 1 поступает электромагнитная волна типа H₁₀ прямоугольного волновода, в переходе 1 она преобразуется в волну H₁₀ секторного коаксиального рупора 2. При распространении волны в рупоре 2 волновые векторы разворачиваются в угловом секторе , где -- угловой размер раскрыва антенны. В результате на раскрыве рупора 2 формируются цилиндрический фронт волны, если ДН не поднята в E-плоскости, или конический фронт, если ДН поднята в Е-плоскости на угол от 0 до 90^o, с синфазным косинусоидальным распределением поля на нем. Вектор при этом расположен перпендикулярно боковым стенкам секторного коаксиального рупора 2. Дифракционные процессы на раскрыве большого радиуса невелики, поэтому ДН антенны в H-плоскости в области главного лепестка имеет косинусоидальную форму.

При выбранных положении, конфигурации и радиопоглощающем материале поглощающих экранов 3 значительная часть электромагнитной энергии, излучаемой антенной за пределы сектора работы в направлении экранов, поглощается ими.

Непоглотившаяся часть электромагнитной энергии после отражения от одних боковых стенок 5 и верхней стенки 8 попадает на заднюю стенку 6, 7 и на другие боковые стенки 5 и поглощается. Так как боковые стенки экрана расположены таким образом, что угол падения лучей не превышает 45^o, обеспечивается максимальное поглощение. При увеличении угла падения происходит увеличение коэффициента отражения большинства радиопоглощающих материалов.

Электромагнитная энергия, падающая из раскрыва антенны на кромки 9 передних стенок 4 экранов 3 дифрагирует на них, образуя кромочную дифракционную волну. Крутизна скатов ДН антенны определяется крутизной скатов распределения поля кромочных дифракционных волн. При выбранных размерах экранов 3 крутизна скатов кромочной волны максимальна. За счет сложения прямой и кромочной дифракционной волн вершина ДН приближается к более плоской форме.

Часть электромагнитной энергии кромочной волны, распространяющейся в секторе от _р+(10-15)^o до 180^o и от -_р -(10-15)^o до -180^o (где _р- половина сектора работы антенны) поглощается передними стенками 4 экранов 3.

Дифракционные лучи, возникающие на кромках боковых стенок антенны, поглощаются задней стенкой 7.

Так как угол между плоскостью задней стенки 7 и лучами, распространяющимися от края раскрыва антенны, составляет 0 - 20^o, энергия, излучаемая в сектор работы поглощается незначительно, и снижения коэффициента усиления антенны в секторе работы не происходит.

Таким образом, предлагаемая антенна позволяет сформировать секторную ДН в H-плоскости с высокой крутизной скатов и низким уровнем излучения за пределами сектора работы антенны.

На предприятии изготовлена и испытана предлагаемая антенна. На фиг. 3 показаны ДН предлагаемой антенны и прототипа. Крутизна скатов ДН прототипа (фиг. 3, б) не превышает 0,57, уровень излучения за пределами сектора работы антенны не более -7 дБ.

Крутизна скатов ДН предлагаемой антенны (фиг. 3, а) не менее 0,86, уровень излучения за пределами сектора работы антенны не более -19,5 дБ. Минимальный коэффициент усиления в секторе работы антенны не уменьшился.

Формула изобретения

Широкополосная антенна с секторной диаграммой направленности в H-плоскости, содержащая плавный переход от прямоугольного волновода к лунарному волноводу, выход которого соединен с узким концом секторного коаксиального рупора, широкий конец которого является раскрывом антенны, отличающаяся тем, что введены два идентичных поглощающих экрана, расположенных симметрично относительно секторного коаксиального рупора, каждый из которых выполнен в виде незамкнутой многогранной поверхности и содержит переднюю, боковые, задние и верхнюю стенки, причем поглощающие экраны расположены таким образом, что угол между биссектрисой угла раскрыва антенны и перпендикуляром из продольной оси антенны на ближайшую параллельную оси кромку передней стенки поглощающих экранов составляет где - ширина диаграммы направленности в H-плоскости по уровню половинной мощности, расстояние от этой кромки до продольной оси антенны где - наибольшая длина волны рабочего диапазона частот; S - отношение ширины диаграммы направленности по уровню-1 дБ к ширине диаграммы направленности по уровню-10 дБ, передняя, боковые и задние стенки поглощающих экранов расположены параллельно продольной оси антенны, при этом угол между перпендикуляром из продольной оси антенны на ближайшую параллельную ей кромку передней стенки поглощающих экранов и плоскостью передней стенки более 10^o, крайняя задняя стенка расположена так, что угол между ней и боковой стенкой секторного коаксиального рупора составляет 0 - 20^o, боковые стенки поглощающих экранов выполнены таким образом, что в плоскости, перпендикулярной продольной оси антенны, в каждой точке боковых стенок поглощающих экранов нормаль к внутренней поверхности боковой стенки и направление из этой точки на вертикальную прямую, проходящую через центр боковой кромки раскрыва, расположены по одну сторону от прямой, соединяющей точку на внутренней поверхности боковой стенки поглощающего экрана и продольную ось антенны, причем выполнены соотношения 2>, <45^{, где - угол между направлением из точки на внутренней поверхности боковой стенки поглощающего экрана на продольную ось антенны и нормалью к внутренней поверхности боковой стенки поглощающего экрана в этой точке; - угол между направлениями из точки на внутренней поверхности боковой стенки поглощающего экрана на продольную ось и на вертикальную прямую, проходящую через центр боковой кромки раскрыва, первая задняя стенка поглощающих экранов выполнена таким образом, что в плоскости, перпендикулярной продольной оси антенны, в каждой точке первой задней стенки поглощающего экрана нормаль к ее внутренней поверхности и направление из этой точки на ближайшую параллельную оси кромку передней стенки поглощающего экрана расположены по одну сторону от прямой, соединяющей точку на внутренней поверхности первой задней стенки и продольную ось антенны, причем выполнено соотношение 2₁>₁, где ₁ - угол между направлением из точки на внутренней поверхности первой задней стенки поглощающего экрана на продольную ось антенны и нормалью к внутренней поверхности задней стенки поглощающего экрана в этой точке; ₁ - угол между направлениями из точки на внутренней поверхности первой задней стенки поглощающего экрана на продольную ось антенны и на ближайшую параллельную оси кромку передней стенки поглощающего экрана, верхние стенки поглощающих экранов выполнены таким образом, что в каждой точке верхней стенки поглощающего экрана в плоскости, проходящей через продольную ось антенны и эту точку, нормаль к внутренней поверхности и направление из этой точки на точку нижней кромки боковых или задних стенок поглощающего экрана, расположены по одну сторону от прямой, соединяющей точку на внутренней поверхности верхней стенки поглощающего экрана и вершину секторного коаксиального рупора, причем выполнено соотношение 2₂>₂, где ₂ - угол между нормалью к внутренней поверхности верхней стенки поглощающего экрана и прямой, соединяющей точку на внутренней поверхности верхней стенки с вершиной секторного коаксиального рупора; ₂ - угол между прямой, соединяющей точку внутренней поверхности верхней стенки и вершину секторного коаксиального рупора, и направлением из этой точки верхней стенки поглощающего экрана на точку нижней кромки боковых или задних стенок поглощающего экрана.}

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3