МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ВСТАВКОЙ
METALLIC WAVEGUIDE FEED WITH DIELECTRIC INSERT

Изобретение относится к антенной технике миллиметрового (мм) диапазона длин волн и может быть использовано в зондирующих устройствах радиоинтерферометров для измерения кинематических параметров движения поверхностей в замкнутых объемах при ударных нагрузках, а также в качестве облучателей длиннофокусных зеркальных антенн.
В указанных применениях облучатель должен формировать сравнительно узконаправленную осесимметричную диаграмму направленности (ДН), обеспечивать надлежащие амплитудное и фазовое распределения в пределах требуемого угла раскрыва фиксированного участка движущейся поверхности в замкнутых объемах или в пределах угла раскрыва зеркальной антенны, минимальные уровни боковых лепестков (УБЛ).
Для устройств ввода зондирующего излучения в замкнутый объем предъявляются требования минимально возможного отверстия в металлической стенке объема, противоположной зондируемой, для зеркальных антенн - минимального объема металлических облучателей, исходя из требования минимизации затенения зеркала.
11
Этим габаритным требованиям в максимальной степени удовлетворяет облучатель в виде открытого конца металлического волновода круглого сечения с волной Н, однако ширина ДН такого облучателя существенно превышает требуемую для длиннофокусных зеркальных антенн и для облучателей замкнутых объемов в радиоинтерферометрии.
Применение металлических рупорных облучателей, обеспечивающих узконаправленное излучение, недопустимо при зондировании замкнутых объемов и ограничено в качестве облучателей зеркальных антенн из-за затенения зеркала.
Известны облучатели в виде открытого конца волновода круглого сечения, излучающие свойства которых регулируются с помощью диэлектрических вставок на апертуре волновода, при этом обеспечивается минимальное затенение зеркальной антенны благодаря выполнению формирователя излучения из диэлектрика.
Для достаточно широкого класса рассмотренных применений требуются облучатели с шириной ДН по уровню минус 3 дБ от 20° до 40° и шириной ДН по уровню минус 15 дБ от 50° до 80° и размерами диэлектрической вставки, формирующей требуемую ДН, не превышающими нескольких длин волн.
11
11
Известен диэлектрический конический излучатель [Взятышев В.Ф., Гайнулина Е.Ю. и др. Патент 2485644 РФ, МПК H01Q 13/00], обеспечивающий осесимметричное излучение гауссова типа с шириной ДН по уровню минус 3 дБ менее 20° при диаметре основания конуса, являющегося излучающей апертурой, как правило, выбираемом от 3λ до 6λ, где λ - рабочая длина волны излучения. Однако такие излучатели возбуждаются диэлектрическим волноводом и требуют для минимизации УБЛ угла наклона а образующей конуса к его высоте не более 5°. При возбуждении диэлектрического конического излучателя металлическим волноводом из-за рассогласования полей волн Н и НЕ на стыке металлического волновода и конуса возрастает УБЛ. Кроме того, как диаметр основания конуса, так и его длина, превышающая 20λ, неприемлемы для указанных выше условий применения.
За прототип выбран облучатель на волноводе круглого сечения с диэлектрической вставкой в виде тела вращения, размещаемого на открытом конце металлического волновода с фланцем и частично заполняющего металлический, волновод диэлектрическим стержнем, составляющим единое целое с диэлектрической вставкой с диаметром, равным или большим, чем сечение металлического волновода, и выполненного в виде цилиндра или усеченного конуса с коническим углублением, вершина которого направлена к открытому концу металлического волновода [Калугин Н.Н. и др. Облучатель параболической антенны. Патент РФ 2092941, МПК H01Q 13/00].
Однако, известные формы диэлектрических вставок, размещаемых на открытом конце металлического волновода с фланцем, характерные для прототипа, предназначены для формирования широких столообразных ДН с незначительным провалом по оси и шириной ДН не менее 180° для повышения эффективности облучения короткофокусных антенн.
Указанные ДН формируются коническим углублением в цилиндрической или усеченной конической диэлектрической вставке, при этом выбор диаметра вставки на стыке с металлическим волноводом некритичен и определяется диаметром вставки в плоскости раскрыва от 0,7λ, то есть от диаметра металлического волновода, до 2λ, а угол наклона α образующей усеченного конуса к его высоте в пределах от 15° до 30° обусловлен только необходимостью уменьшения уровня заднего излучения.
При выполнении вставки в виде сплошного усеченного конуса без конического углубления может быть реализовано осевое излучение, однако известные параметры аналогов - угол наклона образующей усеченного конуса к его высоте, диаметр малого и большого оснований усеченного конуса не обеспечивают требуемые характеристики узконаправленного излучения, необходимые для облучения симметричных длиннофокусных зеркальных антенн и зондирования замкнутых объемов.
Диэлектрические вставки и конические диэлектрические облучатели, как правило, выполняются из высококачественных диэлектриков с диэлектрической проницаемостью ε от 2,0 до 2,6.
Техническим результатом предложенного изобретения является улучшение характеристик облучателя с диэлектрической вставкой и расширение области его применения при поперечных и продольных размерах диэлектрических вставок, не превышающих нескольких длин волн, а именно обеспечение малогабаритной диэлектрической вставкой на открытом конце металлического волновода излучения осесимметричного волнового пучка гауссова типа с шириной основного лепестка ДН в пределах 20°-40° по уровню минус 3 дБ и с уровнем боковых лепестков ниже минус 20 дБ, с равномерным распределением фазы без скачков в пределах основного лепестка ДН.
Технический результат достигается тем, что в металлическом волноводном облучателе, состоящем из открытого конца одномодового металлического волновода круглого сечения и диэлектрической вставки из материала с диэлектрической проницаемостью ε от 2,3 до 2,6, часть которой в форме стержня заполняет участок металлического волновода, и часть которой в форме усеченного конуса выступает за торец металлического волновода и состыкована с ним малым основанием конуса, а большее основание конуса является излучающей апертурой, угол наклона образующей усеченного конуса к его высоте составляет от 18° до 20°, диаметр большего основания конуса D выбран из соотношения 3,1λ≥D≥1,6λ, где λ - рабочая длина волны излучения, а диаметр малого основания конуса превышает диаметр металлического волновода и определен соотношением
Кроме того, выступающая за торец металлического волновода часть диэлектрической вставки в форме усеченного конуса может быть состыкована с торцем металлического волновода, расположенным в отверстии зеркальной антенны или стенки диагностируемого объема, таким образом, что стенка зеркальной антенны или диагностируемого объема состыкована с меньшим основанием усеченного конуса, причем стенки диагностируемого объема могут быть как металлические, так и диэлектрические, иметь вогнутую или выпуклую форму.
Кроме того, выступающая за торец металлического волновода излучателя часть диэлектрической вставки в форме усеченного конуса может быть состыкована с торцем металлического волновода посредством металлического фланца на его торце.
На фигуре 1 представлен предлагаемый облучатель в различных вариантах стыковки с поверхностью зондируемого объема или зеркальной антенны, поясняющий сущность изобретения.
-3дБ
На фигуре 1а представлен металлический волноводный облучатель с диэлектрической вставкой, состоящий из металлического волновода круглого сечения 1 с выходным торцем волновода 2 и диэлектрической вставки, часть которой 3 выполнена в виде усеченного конуса с углом наклона α образующей конуса к его высоте в пределах 18°-20°. Часть диэлектрической вставки в виде стержня 4 частично заполняет металлический волновод 1. Большее основание конуса 3 диаметром D, являющееся апертурой облучателя, для обеспечения требуемой ширины ДН Δθ в пределах 20°-40° выбирается из соотношения 3,1λ≥D≥1,6λ.
Усеченный конус 3 малым основанием диаметром d, превышающим внутренний диаметр металлического волновода 1, и определяемым из соотношения
стыкуется с торцем 2 металлического волновода 1.
На фигуре 1б представлен металлический волноводный облучатель, у которого выступающая за торец 2 металлического волновода 1 часть 3 диэлектрической вставки состыкована с торцем 2 металлического волновода 1, расположенного в отверстии зеркальной антенны или вогнутой стенки 5 диагностируемого объема, а на фигуре 1в - в отверстии выпуклой стенки 6 диагностируемого объема, таким образом, что стенка зеркальной антенны или диагностируемого объема 5 или 6 состыкована с меньшим основанием усеченного конуса 3.
Монтаж диэлектрической вставки в металлический волновод 1 осуществляется после монтажа волновода 1 в заданную поверхность 5 или 6.
Стенки замкнутого объема 5 и 6 на фигурах 1б и 1в могут быть как металлическими, так и диэлектрическими.
На фигуре 1г показан облучатель, в котором выступающая за торец 2 металлического волновода 1 часть 3 диэлектрической вставки состыкована с торцем 2 металлического волновода 1 посредством металлического фланца на его торце.
На фигуре 2 изображена типовая ДН предложенных вариантов облучателя в Е и Н-плоскостях.
Металлический волноводный облучатель с диэлектрической вставкой работает следующим образом.
У диэлектрических конических облучателей, также как и у металлических рупоров, ширина основного лепестка ДН по уровню минус 3 дБ определяется в основном соотношением λ/D, где D - диаметр основания конуса. Однако, для диэлектрических конических облучателей, в силу открытого характера структуры, апертура определяется шириной распределения поля по уровню минус 15 дБ, которая превышает диаметр основания конуса. Это обеспечивает более узкую ДН по сравнению с металлическим рупором тех же геометрических размеров, а также пренебрежимо малое затенение зеркальных антенн.
-3дБ
-3дБ
Для обеспечения требуемой ширины диаграммы направленности по уровню минус 3 дБ Δθ в пределах 20°-40° диаметр большего основания конуса D выбирается из соотношения 3,1λ≥D≥1,6λ. Выбор конкретного значения диаметра D определяется требуемым значением Δθ в указанных пределах.
-3дБ
По результатам экспериментов получена зависимость ширины ДН по уровню минус 3 дБ Δθ от соотношения λ/D, выбираемого в указанных выше пределах,
11
11
Резкая нерегулярность на стыке торца металлического волновода 1 с малым основанием диэлектрического конуса 3, диаметр которого превышает внутренний диаметр металлического волновода, обеспечивает согласование структуры поля Н металлического волновода с возбуждаемой в конусе волной H, что характеризует достигнутый УБЛ ниже минус 20 дБ.
11
Известно, что для реализации Эрмито-Гауссова распределения поля в диэлектрической волноведущей структуре, наряду с основным типом волны Н, необходимо возбуждать первый симметричный высший тип волны с определенным соотношением амплитуд, причем эффективное возбуждение высшего типа волны может быть обеспечено на резкой нерегулярности волноведущей структуры [Взятышев В.Ф., Гайнулина Е.Ю., Назаров А.В. и др. Планарные диэлектрические излучатели для КВЧ систем диагностики быстропротекающих процессов/ Антенны, вып. 1, 2016, с. 55
Предложенное соотношение
12
для выбора диаметра d малого основания конуса в зависимости от длины волны и диэлектрической проницаемости ε материала вставки соответствует критической частоте возбуждения высшего симметричного типа EH в эквивалентном диэлектрическом волноводе [Взятышев В.Ф. Диэлектрические волноводы. Изд-во «Сов. радио», М., 1970].
11
11
11
12
При выборе диаметра d малого основания усеченного конуса 3 диэлектрической вставки в соответствии с указанным соотношением обеспечивается, во-первых, согласование полей Н и HE на стыке торца 2 металлического волновода 1 с частью 3 диэлектрической вставки и соответственно уменьшение УБЛ за счет превышения диаметра d малого основания конуса 3 в полтора раза диаметра металлического волновода и, во-вторых, формирование излучения с ДН гауссова типа за счет эффективного возбуждения на предложенной резкой нерегулярноти - стыке торца металлического волновода 1 с малым основанием конуса 3, наряду с основной волной НЕ и высшего типа ЕН.
11
12
Формирование на апертуре конической части 3 диэлектрической вставки Эрмито-Гауссова амплитудно-фазового распределения и соответствующей ДН можно пояснить из рассмотрения распределения полей НЕ и EH в поперечном сечении.
11
12
11
11
Силовые линии НЕ в основном коллинеарны, однако, при выбранных размерах сечения конической насадки они искривлены во внешней области. Структура поля ЕН близка к структуре поля НЕ в центральной части сечения и в отличие от поля НЕ на периферии имеет противонаправленные силовые линии поля с противоположной формой кривизны. Это обеспечивает суммарное поле гауссова типа.
12
°
°
Экспериментально показано, что при диаметре малого основания конуса d меньше, чем в указанном соотношении, например, равном внутреннему диаметру металлического волновода, уровень боковых лепестков из-за большего излучения на нерегулярности стыка возрастает до минус 16 дБ. Из-за невозбуждения высшего типа ЕН в конической части вставки ДН существенно несимметрична. Так, по уровню минус 15 дБ ширина ДН составляет 63 и 90 в Е и Н-плоскостях, соответственно. Кроме того, в точках перегиба амплитудного распределении основного лепестка на уровне минус 10 дБ фазовое распределение терпит скачки, что недопустимо для указанных применений облучателя.
°
°
Сочетание предложенных параметров диэлектрической вставки - угла α наклона образующей усеченного конуса, зависимости диаметров оснований конуса D и d от длины волны λ обеспечивают осесимметричную диаграмму направленности гауссова типа с шириной 20-40, с УБЛ ниже минус 20 дБ при продольных и поперечных размерах диэлектрической вставки менее 3λ.
Для примера на фигуре 2 приведены экспериментальные ДН в декартовых координатах в Е и Н-плоскостях для варианта облучателя, изображенного на фигуре 1а, на длине волны λ=3,2 мм с конической вставкой размерами D=10 мм, d=3 мм, внутренним диаметром металлического волновода, равным 2 мм, углом α=19°. Вставка выполнена из полистирола (ε=2,5).
°
°
°
°
Как видно из фигуры 2, в предложенном металлическом волноводном облучателе с конической диэлектрической вставкой достигнуты следующие характеристики излучения - симметричная ДН гауссового типа до уровня минус 15 дБ, уровень боковых лепестков ниже минус 20 дБ, равномерность фазы в пределах основного лепестка ДН, ширина ДН по уровню минус 3 дБ 25 и 23, по уровню минус 15 дБ 53 и 55 в Е и Н плоскостях, соответственно.
ДН других вариантов облучателей (фигуры 1б-1г) практически совпадают с ДН на фигуре 2 в пределах погрешности измерений.