СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и может быть использовано в широкополосных антеннах, где применяются поперечные и продольные излучатели.
Такие излучатели реализуют рупорные, линзовые, зеркальные, дискретные антенны, антенны поверхностных волн и антенны в виде открытых продольных излучателей (Кюн Р. Микроволновые антенны, М. Судостроение 1967 с.95, 198, 258, 304, 373, 420).
Указанные антенные системы являются эффективными устройствами, позволяющими получать требуемые технические параметры в ограниченной полосе частот. При попытке создания антенных систем с полосой пропускания в несколько октав - до декады возникают значительные технические трудности с обеспечением высоких электрических параметров (ширины диаграммы направленности, низкого уровня боковых лепестков, коэффициента усиления, коэффициента отражения) в указанной полосе частот.
Известно техническое решение, описанное в патенте РФ №2052878, где предложена широкополосная антенна, изготовленная на диэлектрической подложке с металлизированными поверхностями. На одной стороне платы (экранная сторона) основная поверхность занята металлизированным (медным) проводником. На металлизации удалена часть поверхности, ограниченная излучающим плоским рупором, образованным двумя пересекающимися плоскими рупорами, сужающаяся часть которых переходит в щелевую линию, а точка пересечения смежных стенок лежит на оси симметрии излучающего рупора. Если высокочастотная энергия поступает через щелевые линии, то края излучающего рупора связаны со свободным пространством. Местоположение точек, в которых выполнено соединение микрополосковой линии относительно щелевой линии реализуют узлы возбуждения, которые определяют импеданс антенны. На оборотной стороне платы (токонесущая сторона) расположены микрополосковые проводники, работающие в качестве высокочастотной линии передачи (система возбуждения). Микрополосок пересекает щелевую линию и обеспечивает емкостную связь с последней.
Недостатками указанного устройства являются:
- сложность согласования волновых сопротивлений щелевой и микрополосковой линий передачи;
- ограниченная (небольшая) мощность, передаваемая щелевой линией.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является разработка сверхширокополосной антенны с большой передаваемой мощностью и частотно-независимым возбуждением, получение динамического амплитудно-фазового распределения на раскрыве антенны.
Это достигается тем, что широкополосная антенная решетка, содержащая плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнен излучающий раскрыв, образованный из плоских рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, отличающаяся тем, что система возбуждения исполнена на токонесущей стороне платы диэлектрической пластины, а двухуровневый излучающий раскрыв в виде металлических прутков в свободном пространстве и соединен с экранной стороной платы и полосковой системой возбуждения посредством латунных втулок.
Поскольку структура многоуровневого излучающего раскрыва (широкополосной антенны) построена по принципу иерархических систем с вложенными процессами, то его амплитудно-фазовое распределение является динамическим, поэтому включением в один из уровней системы возбуждения (правый или левый) управляемого элемента (регулируемые фазовращатель, линия задержки, аттенюатор) легко и просто осуществляется изменение отношения амплитуд распространяющихся мод, что позволяет эффективно управлять положением максимума диаграммы направленности.
Представленные чертеж поясняет суть предлагаемого устройства.
На Фиг.1 изображена двухуровневая антенная система, где обозначены:
1 - излучатель нулевого уровня,
2 - излучатель первого уровня,
3. 3а - образующие излучателя нулевого уровня токонесущей и экранной сторон платы в виде металлических прутков,
4. 4а - образующие излучателя первого уровня токонесущей и экранной сторон платы в виде металлических прутков,
5 - металлические втулки соединения образующих излучателей нулевого и первого уровней с системой возбуждения и экраном платы,
6 - система возбуждения, токонесущая сторона платы,
7 - диэлектрические штанги,
8 - элемент управления.
Сплошные линии - микрополосковые проводники, выполненные на токонесущей стороне платы, реализуют систему возбуждения; затушеванная часть экранной стороны платы соответствует наличию металлизации.
В микрополосковой линии передачи основной волной электромагнитного поля является волна структуры ТЕМ, которая характеризуется наличием только поперечных составляющих электрического и магнитного поля. Скорость распространения и волновое сопротивление волны ТЕМ практически не зависят от частоты.
Для щелевой линии основной волной электромагнитного поля является волна структуры ТЕ, которая кроме поперечных составляющих имеет в своем составе и продольную составляющую. Поэтому скорость распространения и волновое сопротивление волны ТЕ сильно зависит от частоты, кроме того, она имеет критическую частоту, ниже которой высокочастотная энергия по щелевой линии вообще не передается. В общем случае входное сопротивление антенны является комплексным, которое имеет активную и реактивную составляющие. Для большинства антенн активная составляющая входного сопротивления характеризуется величиной порядка 70-100 Ом. Щелевая линия, выполненная на широко распространенных диэлектрических подложках с волновым сопротивлением 70-100 Ом, имеет ширину щели порядка 0.08-0.1 мм, сотые доли миллиметра, что вызывает большие технологические сложности при ее исполнении (изготовлении). Кроме того, малая ширина щели резко ограничивает передаваемую мощность.
Указанную проблему можно решить, если узел возбуждения и плоский рупор исполнить не в одной плоскости (как это сделано в патенте 2052878), а в двух параллельных плоскостях, которые пространственно разнесены на некоторое расстояние. В таком случае плоский рупор будет возбуждаться волной структуры ТЕМ, что полностью решает проблему согласования, а выбор расстояния между плоскостями решает проблему передаваемой мощности. Такой «узел возбуждения» с теоретической точки зрения является идеальным, поскольку его электрические параметры определяются только геометрией системы (углом раскрыва рупора), он совершенно не зависит от частоты и не имеет никаких ограничений на передаваемую мощность. Структура такого рупора не обладает никакими особенностями в отличие от рупора, образующие которого лежат в одной плоскости и возбуждаются щелью, которая в свою очередь возбуждается посредством микрополосковой линии передачи, включенной в режим короткого замыкания, либо холостого хода.
В предлагаемом техническом решении поставленная цель достигается посредством реализации (исполнения) образующих рупоров в свободном пространстве и их подключения к разным сторонам диэлектрической подложки, имеющей некоторую толщину. Образующая 3, подключена к токонесущей стороне платы, является продолжением микрополоскового проводника системы 6 возбуждения, под которым отсутствует металлизация; образующая 3а подключена к экранной стороне платы.
Поскольку под образующими 3, 4 удалена (отсутствует) металлизация, то электрические силовые линии поля волны структуры ТЕМ замыкаются на образующие 3а, 4а (которые соединены с экранной стороной платы), возбуждая рупоры 1 волной ТЕМ. Если угол рупора α выбран небольшим, то в нем сохраняется структура поля волны ТЕМ, только изменяется ориентация ее электрических силовых линий. В системе 6 возбуждения электрические силовые линии были направлены сверху вниз (микрополосковый проводник - экран), а в рупорах 1 они направлены справа налево (микрополосковый проводник) образующая 3 - (экран) образующая 4а и образующая 4 - образующая 3а. В данном случае для излучателя нулевого уровня импеданс рупора является функцией только угла раскрыва α и определяется выражением:
,
а для излучателя первого уровня электрические силовые линии также направлены справа налево и замыкаются образующая 4 - образующая 4а, тем самым, формируя горизонтальную поляризацию антенной системы.
Из изложенного становится очевидным, что задачи, поставленные при разработке данного технического решения, полностью решены предлагаемой конструкцией широкополосной антенны, которая имеет частотно-независимый узел возбуждения с большой передаваемой мощностью, управляемое динамическое амплитудно-фазовое распределение (ДАФР) на раскрыве, что позволяет довольно просто решить вопросы расширения полосы пропускания, согласования, уровня передаваемой мощности и ее перераспределения.
Предлагаемое техническое решение - это совершенная сверхширокополосная микрополосковая антенна, выполняемая с применением современной технологии печатных плат, отличающаяся компактностью, малой массой и высокой технологичностью. Особенно эффективной широкополосная антенна будет в областях применения, где для излучения используются сверхкороткие импульсы, длительностью порядка пико- и нано-секунды - это цифровые системы связи и передачи данных, подповерхностная локация, радиолокационное сверхразрешение, системы имитации электромагнитного импульса ядерного взрыва, а также в линиях беспроводной передачи электрической энергии.