Сверхширокополосная приемо-передающая антенна

Сверхширокополосная приемо-передающая антенна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может быть использовано в радиолокации, связи и других антенных системах, размещенных на летательных аппаратах.

Из уровня техники известна сверхширокополосная антенна с малым входным коэффициентом стоячих волн (заявка FR №2659441, МПК H01Q 09/44, 1988), содержащая три штыревых антенны с электрической длиной λ/4, питаемых от общего фидера, причем они отклонены на угол 18° относительно вертикали с симметричным разносом в горизонтальной плоскости. Данная антенна обладает недостаточно широкой полосой согласования.

Известна широкополосная всенаправленная антенна (патент US №4970524, НКИ 343-752, 13.11.90), состоящая из несимметричной вибраторной антенны, питаемая источником радиочастоты, и структуры параллельных проводников, лежащих в одной плоскости и настроенных на разные частоты.

Известна антенна с несколькими рабочими частотами (патент GB №2317994, МПК H01Q 05/00, 28.02.97), содержащая два электрически проводящих элемента, отводящихся от заземленного экрана, работающих в двух рабочих диапазонах, причем между элементами антенны имеется связь, обеспечивающая зависимость фазовой скорости поверхностных волн от частоты. При изменении частоты изменяется эффективная длина антенны, так что антенна имеет резонанс на двух независимых частотах. Основной недостаток указанных выше антенн заключается в их недостаточной широкополосности.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой антенне является сверхширокополосная приемо-передающая антенна, содержащая коаксиальный вход, устройство согласования и излучатели электромагнитной энергии (патент RU №2205478, дата публикации 2003.05.27, МПК H01Q 5/01), которая и выбрана в качестве прототипа. Три излучателя электромагнитной энергии выполнены в виде несимметричных вибраторов одинакового сечения с электрическими длинами 3λ_н/4, 3λ_в/4, 3λ_ср/4 соответственно, где λ_н, λ_в, λ_ср - длина волны низкой, высокой и средней частот излучения, причем самый длинный и самый короткий вибраторы соединены между собой короткозамыкателем с тем же сечением, что и вибраторы, при этом полоса согласования антенны определяется расстоянием от устройства согласования до короткозамыкателя, причем вибраторы формируют воронкообразную диаграмму направленности в плоскости вибраторов, а в ортогональной плоскости - ненаправленную диаграмму направленности.

Недостатком данного технического решения являются большие габариты (высота) антенны, недостаточно широкая полоса согласования, наличие элемента подстройки, что усложняет конструкцию антенны, а также пониженная механическая и электрическая прочность.

Для всех видов радиослужб желательно, чтобы радиопередающие и приемные антенны обладали способностью работать на любой частоте в пределах относительно широкой полосы частот. Потребность в более эффективном использовании спектра радиочастот может быть удовлетворена путем частотного уплотнения с временным разделением сигналов, однако основной проблемой является расширение полосы частот антенны.

Существует проблема излучения и приема сверхширокополосных сигналов, спектр которых занимает полосу частот три октавы и более. Для излучения и приема широкополосных сигналов с минимальными искажениями антенна должна иметь полосу пропускания, сравнимую с полосой частот, занимаемой спектром сигнала.

Для работы в диапазоне от относительно низких до достаточно высоких частот необходимо, чтобы антенна менялась для каждой узкой полосы частот или вновь согласовывалась (перестраивалась вручную или электронным путем), чтобы иметь приемлемые рабочие характеристики. Обязательным условием наличия одной антенны в широкополосных системах является соответственное согласование на всех частотах нужного широкого диапазона частот, обеспечивающее требуемую форму диаграммы направленности (ДН), наличие и стабильное положение фазового центра, поляризационные характеристики, входной импеданс или степень согласования с фидером оставался неизменным или изменялся в допустимых пределах.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание сверхширокополосной приемо-передающей антенны, формирующей при вертикальной поляризации изотропную диаграмму направленности в азимутальной плоскости и воронкообразную в угломестной плоскости и обладающей расширенной до четырех октав полосой пропускания, уменьшенными габаритами, упрощенной конструкцией и имеющей повышенную электрическую и механическую прочность.

Технический результат достигается тем, что сверхширокополосная приемо-передающая антенна, расположенная в плоскости, перпендикулярной экрану, и формирующая воронкообразную диаграмму направленности в плоскости элемента электромагнитного излучения и ненаправленную диаграмму направленности - в ортогональной плоскости, содержит элемент электромагнитного излучения и коаксиальный вход. При этом она отличается тем, что элемент электромагнитного излучения выполнен в виде прямоугольной металлической пластины высотой 0,2λ_н, где λ_н - длина волны нижней границы частотного диапазона, со скосами нижнего и верхнего оснований, параллельных плоскости экрана, причем ширину полосы согласования обеспечивают оптимальным выбором углов скоса верхнего и нижнего оснований пластины.

Устройство и работа сверхширокополосной приемо-передающей антенны поясняются Фиг.1 - 5, где

Фиг.1 - конструкция сверхширокополосной приемо-передающей антенны;

Фиг.2 - диаграмма согласования сверхширокополосной приемо-передающей антенны в полосе частот f_н-4f_н;

Фиг.3 - диаграмма направленности сверхширокополосной приемо-передающей антенны в азимутальной и угломестной плоскостях на частоте f_н;

Фиг.4 - диаграмма направленности сверхширокополосной приемо-передающей антенны в азимутальной и угломестной плоскостях на частоте 2f_н;

Фиг.5 - диаграмма направленности сверхширокополосной приемо-передающей антенны в азимутальной и угломестной плоскостях на частоте 3f_н.

Сверхширокополосная приемо-передающая антенна 1 (Фиг.1) содержит экран 2, коаксиальный вход 3, элемент электромагнитного излучения 4 с элементом крепления 5. При этом сверхширокополосная приемо-передающая антенна 1 расположена над экраном 2 в плоскости, перпендикулярной плоскости экрана. Коаксиальный вход 3 крепят с обратной стороны экрана 2. Элемент электромагнитного излучения 4 выполнен в виде прямоугольной металлической пластины со скосами на нижнем 6 и верхнем 7 основаниях, параллельных плоскости экрана 2. Причем нижнее основание 6 пластины своей центральной частью соединено с коаксиальным входом 3 и содержит два симметричных относительно вертикальной оси скоса с углами α, а верхнее основание 7 пластины выполнено с углом скоса β. Элемент электромагнитного излучения 4 установлен перпендикулярно плоскости экрана 2 вдоль его продольной оси с возможностью согласования в широкой полосе частот и закреплен на поверхности экрана 2 при помощи крепежных элементов 5. Ширину полосы согласования обеспечивают оптимальным выбором углов скоса нижнего и верхнего оснований пластины.

Сверхширокополосная приемо-передающая антенна 1 работает следующим образом. Питание сверхширокополосной приемо-передающей антенны 1, расположенной над экраном 2, подают через коаксиальный вход 3 на элемент электромагнитного излучения 4. Точка подачи питания антенны находится в середине нижнего основания элемента электромагнитного излучения 4. Выполнение элемента электромагнитного излучения 4 в виде прямоугольной пластины определенной высоты со скосами нижнего и верхнего оснований с оптимальным выбором углов скоса позволяет обеспечить необходимую ширину полосы согласования. При изменении частоты входного СВЧ-сигнала пропорционально изменяется действующая поверхность излучающего элемента. Выбор угла согласования обеспечивает широкополосную компенсацию комплексного сопротивления излучателя до величины, равной волновому сопротивлению питающего фидера.

Примером конкретного исполнения может служить сверхширокополосная приемо-передающая антенна 1, которая содержит экран 2, выполненный в виде металлической пластины овальной формы. В центральной части экрана с одной стороны установлен и закреплен высокочастотный разъем, являющийся коаксиальным входом 3 сверхширокополосной приемо-передающей антенны 1. С обратной стороны экрана 2 перпендикулярно его плоскости вдоль продольной оси установлен элемент электромагнитного излучения 4, соединенный с коаксиальным входом 3 и закрепленный при помощи элементов крепления 5. Элемент электромагнитного излучения 4 выполнен в виде прямоугольной металлической пластины со скосами на нижнем 6 и верхнем 7 основаниях, параллельных плоскости экрана 2. Причем нижнее основание 6 пластины своей центральной частью соединено с коаксиальным входом 3. Ширину полосы согласования обеспечивают оптимальным выбором углов скоса нижнего 6 и верхнего 7 оснований пластины элемента электромагнитного излучения 4, что подтверждается проведенными исследованиями. В нашем примере элемент электромагнитного излучения 4 сверхширокополосной приемо-передающей антенны содержит два симметричных относительно вертикальной оси скоса с углами α=π/6, а верхнее основание 7 пластины выполнено с углом скоса β=π/6. При этом высота пластины элемента электромагнитного излучения 4 равна 0,2λ_н.

На Фиг.2 представлены диаграммы согласования сверхширокополосной приемо-передающей антенны в полосе частот f_н-4f_н с различными пластинами элемента электромагнитного излучения 4. Диаграмма 1 отражает параметры антенны, излучатель которой выполнен в виде пластины со скошенным верхним основанием (угол β=π/6, углы α=0). Диаграмма 2 отражает параметры антенны, излучатель которой выполнен в виде пластины со скошенным нижним основанием (угол β=0, углы α=π/6). Диаграмма 3 отражает параметры антенны, излучатель которой выполнен в виде пластины со скошенными нижним и верхним основанием (угол β=π/6, углы α=π/6). Приведенные примеры позволяют сделать вывод о том, что значение коэффициента стоячей волны (КСВ) сверхширокополосной приемо-передающей антенны с элементом электромагнитного излучения в виде пластины, имеющей скосы как верхнего, так и нижнего оснований при одинаковой ширине пластины обеспечивает широкополосную компенсацию комплексного сопротивления излучателя до величины, равной волновому сопротивлению питающего фидера в полосе рабочих частот до четырех октав при практически отсутствующих потерях энергии в антенне. При этом высота элемента электромагнитного излучения 4 соответствует 0,2λ_н.

Сверхширокополосная приемо-передающая антенна формирует воронкообразную диаграмму направленности в плоскости элемента электромагнитного излучения и ненаправленную диаграмму направленности - в ортогональной плоскости, что подтверждают диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях в полосе частот f_н, 2f_н, 3f_н (Фиг.3, Фиг.4, Фиг.5).

Данные диаграммы направленности указывают на повторяемость их формы на частотах f_н, 2f_н, 3f_н. При этом отклонение формы диаграммы направленности от теоретических значений не превышает 1-1,2 дБ.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает создание сверхширокополосной приемо-передающей антенны, обладающей расширенной полосой пропускания (до четырех октав) и формирующей изотропную диаграмму направленности в плоскости элемента электромагнитного излучения и воронкообразную диаграмму направленности - в ортогональной плоскости. Кроме того, антенна проста в изготовлении, не требует настройки, обеспечивает высокую повторяемость параметров и имеет малые массогабаритные показатели.

1. Сверхширокополосная приемо-передающая антенна, расположенная в плоскости, перпендикулярной экрану, содержащая элемент электромагнитного излучения и коаксиальный вход и формирующая воронкообразную диаграмму направленности в плоскости элемента электромагнитного излучения и ненаправленную диаграмму направленности - в ортогональной плоскости, отличающаяся тем, что элемент электромагнитного излучения выполнен в виде прямоугольной металлической пластины высотой 0,2λ_н, где λ_н - длина волны нижней границы частотного диапазона, со скосами верхнего и нижнего оснований, параллельных плоскости экрана, причем ширину полосы согласования обеспечивают оптимальным выбором углов скоса верхнего и нижнего оснований пластины.

2. Сверхширокополосная приемо-передающая антенна по п.1, отличающаяся тем, что нижнее основание пластины содержит два симметричных относительно вертикальной оси скоса.

3. Сверхширокополосная приемо-передающая антенна по п.1, отличающаяся тем, что верхнее основание пластины выполнено с одним углом скоса.

4. Сверхширокополосная приемо-передающая антенна по п.1, отличающаяся тем, что углы скоса нижнего основания элемента электромагнитного излучения равны π/6.

5. Сверхширокополосная приемо-передающая антенна по п.1, отличающаяся тем, что угол скоса верхнего основания элемента электромагнитного излучения равен π/6.