РУПОРНАЯ АНТЕННА
HORN ANTENNA

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для построения широконаправленных в горизонтальной плоскости антенн СМ и ММ диапазонов волн, формирующих диаграммы направленности (ДН) воронкообразной (конической) формы и используемых в интересах ПВО.
При размещении радиотехнических средств на наземных, надводных или на летающих объектах требуется обеспечить их работу в широких азимутальных секторах с излучением или приемом СВЧ сигналов под требуемым углом над плоскостью горизонта или к плоскости горизонта в любом азимутальном направлении, что может быть обеспечено антеннами, формирующими ДН воронкообразной (конической) формы.
Известны антенны (патент Великобритании №2213997, H01Q 13/02, 1989 и патент России №2119215, H01Q 13/02, 1998), формирующие секторную ДН. Они содержат плавный переход от прямоугольного волновода к лунарному, выход которого соединен с узким концом секторного коаксиального рупора. Широкий конец рупора совместно с узким формирует раскрыв антенны. Симметрично относительно рупора (по патенту России) расположены два идентичных поглощающих экрана, представляющих собой незамкнутую многогранную поверхность. Расположение экранов и стенок экранов относительно секторного коаксиального рупора обеспечивает высокую крутизну скатов ДН по сравнению с патентом Великобритании №2213997.
Конусность ДН описанных антенн может быть получена путем придания конусности ее раскрыву.
Однако из-за сложности конструкции они трудновыполнимы практически, особенно в ММ диапазоне волн.
Конусные ДН могут быть получены с помощью биконической антенны путем придания конусности ее ракрыву, но они формируют всенаправленные в горизонтальной плоскости ДН.
Для получения секторных ДН в раскрыв биконической антенны помещают цилиндрический (или конический) металлический экран, покрытый радиопоглощающим материалом, для отсечки излучения (приема) в нежелательных азимутальных направлениях («Вопросы специальной радиоэлектроники», 2001 г., выпуск 2, Москва-Таганрог, стр.105-106). Однако такая антенна также довольно сложна в изготовлении, имеет значительные габариты по сравнению с другими, а на высоких частотах (в ММ диапазоне) изготовить ее практически невозможно. Кроме того, возбуждение биконической антенны осуществляемся коаксиальным фидером через волноводно-коаксиальный переход. В результате такая антенна имеет низкий КУ и большой КСВН.
Известна антенна, формирующая широкоугольную ДН (патент США №3831176, H01Q 17/00, H01Q 19/06, 1974 г.). Антенна представляет собой сектор радиальной волноводной линии (фиг.1). Наружные кромки двух параллельных пластин, образующих линию, представляют собой идентичные дуги окружностей, образующие цилиндрический раскрыв антенны. Сектор радиальной линии в центре (или вершине) соединяется с входной линией передачи в виде обуженного в месте соединения прямоугольного волновода. Возбуждаемая в радиальном секторе линии ЭМ волна распространяется таким образом, что электрические силовые линии (Е-поле) идут вдоль дуг окружностей между расходящимися боковыми стенками радиального волноводного сектора параллельно пластинам, образующим линию.
Поместив между пластинами радиального волноводного сектора перпендикулярно к ним несколько радиальных поглощающих пластин, расположенных по дуге окружности на некотором расстоянии одна от другой (при этом силовые линии электрического поля перпендикулярны ко всем поглощающим пластинам и к расходящимся боковым стенкам радиального волновода), и наличии в раскрыве соответствующего поляризатора авторы патента получили антенну, излучающую эллиптически поляризованные волны почти круговой поляризации во всем угловом секторе, угол которого лежит в пределах от 60° до 300° в широкой полосе частот, перекрывающей по крайней мере октаву.
При диаграмме направленности в 60° и меньше такая антенна превращается в обычный пирамидальный рупор, ширина диаграммы направленности которого определяется его апертурой. Ширину диаграммы направленности больше 300° невозможно получить, т.к. раздвинуть боковые стенки радиальной волноводной линии до 360° невозможно из-за наличия записывающего прямоугольного волновода. В пределах от 60° до 300° ширина диаграммы направленности будет определяться углом раствора радиальной линии.
Известная антенна формирует диаграммы направленности в широком угловом секторе в плоскости горизонта при ориентации широких стенок радиального волновода также в плоскости горизонта. Поляризация излучаемых волн - эллиптическая, близкая к круговой.
Описанная в патенте США №3831176 антенна выбрана за прототип как наиболее близкая к заявляемому объекту по технической сущности.
Задача заявляемого изобретения - создание антенны, формирующей конические (воронкообразные) по форме и широкоугольные в Е-плоскости ДН.
Решение этой задачи достигается тем, что в рупорной антенне, содержащей Е-плоскостной секториальный рупор в виде сектора радиальной волноводной линии с углом при вершине, определяющим заданную ширину ДН в Е-плоскости, возбуждаемый обуженным прямоугольным волноводом с вектором электрического поля Е, параллельным широким стенкам радиального волновода, и излучающий раструб, ограниченные общими узкими стенками, между Е-плоскостным секториальным рупором и излучающим раструбом расположена переходная секция, широкие стенки которой выполнены в виде параллельных тороидально изогнутых поверхностей, образующих острый угол α с Е-плоскостью, а широкие стенки излучающего раструба выполнены в виде непараллельных конических поверхностей.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 показана схема построения антенны (по патенту США №3831176);
на фиг.2 показан общий вид заявляемой антенны;
на фиг.3а и фиг.3б показаны фото макета заявляемой антенны в двух ракурсах;
на фиг.4 приведены ДН изготовленной антенны в Е-плоскости;
на фиг.5 приведены ДН изготовленной антенны в Н-плоскости.
Рупорная антенна (фиг.2) содержит Е-плоскостной секториальный рупор в виде сектора радиальной волноводной линии 1, возбуждаемый обуженным прямоугольным волноводом 2, и излучающий раструб 3, ограниченные узкими стенками 4. Между Е-плоскостным секториальным рупором в виде сектора радиальной волноводной линии 1 и излучающим раструбом 3 расположена переходная секция 5, широкие стенки которой выполнены в виде параллельных тороидально изогнутых поверхностей, образующих острый угол α с Е-плоскостью. Излучающий раскрыв заявляемой рупорной антенны обозначен на фиг.2 штрихами.
Предлагаемая антенна работает следующим образом. Возбуждаемая в радиальной волноводной линии 1 волноводом 2 обуженного сечения электромагнитная волна распространяется между двумя широкими плоскопараллельными металлическими поверхностями (стенками) 4 линии 1 таким образом, что электрические силовые линии (Е-поле) идут вдоль дуг окружностей между расходящимися боковыми стенками радиально-волноводного сектора, т.е. в секторе распространяется цилиндрическая ЭМ волна с одинаковыми амплитудами и фазами в любом азимутальном направлении. Наружные кромки двух параллельных пластин радиальной волноводной линии 1 в виде двух дуг окружностей образуют цилиндрический «раскрыв». Для получения широкоугольных в Е-плоскости ДН конической (воронкообразной) формы между упомянутым цилиндрическим «раскрывом» Е-плоскостного секториального рупора в виде сектора радиальной волноводной линии 1 и излучающим раструбом 3 размещена переходная секция 5, преобразующая цилиндрический фронт ЭМ волны в секторе радиальной линии в конический фронт ЭМ волны, излучаемый раструбом, широкие стенки которого выполнены в виде непараллельных конических поверхностей.
2
На предприятии был изготовлен макет и проведены испытания антенны в СМ диапазоне волн в виде 180° сектора радиальной волноводной линии с изгибом широких ее стенок на угол 20° (фото антенны на фиг.3а и фиг.3б.). Экспериментально сняты ДН изготовленной антенны в Е-плоскости в диапазоне работы стандартного прямоугольного волновода сечением 23×10 мм (фиг.4). В связи с тем, что 180° сектор радиальной волноводной линии был запитан волноводом без обужения в месте соединения с радиальной волноводной линией, ДН получилась несколько уже 180° (~157°).
Конусность полученных ДН подтверждена снятыми ДН в Н-плоскости (в нескольких азимутальных направлениях), приведенных на фиг.5. Все они имеют отклонение максимума от горизонтальной плоскости в 20°.
Дополнительным преимуществом заявляемой антенны, формирующей секторные воронкообразные (конические) ДН, является то, что при ее изготовлении используется только металл, что позволяет использовать антенну в любых условиях - на суше (стационарно и на движущихся объектах), на море (на кораблях любого водоизмещения) и других объектах.
Излучающий раскрыв заявляемой антенны может быть закрыт герметизирующим радипрозрачным обтекателем (заглушкой), изготовленным из стеклоткани, или радиопрозрачной пленкой из фторопласта.