Волноводный излучатель

Полезная модель относится к радиотехнике, а точнее - к антенной технике, и может быть использована как в виде самостоятельной антенны, так и в составе фазированной антенной решетки с преимущественно с плотной упаковкой элементов.
Известны волноводно-рупорные излучатели на основе круглых, прямоугольных и сверхразмерных тонкостенных металлических волноводов, которые широко применяются на СВЧ в качестве облучателей зеркальных антенн и элементов антенных решеток. При широкоугольном сканировании лучом антенной решетки центры излучателей должны располагаться на достаточно близком расстоянии друг от друга (d≈λ/2).
Например, волноводно-рупорный излучатель [Патенты РФ 2019008, МПК Н 01Q 13/02; № 2118020, МПК Н 01Q 13/02], содержит отрезок прямоугольного волновода, короткозамкнутый на одном торце металлической пластиной, а на другом торце гальванически соединенный с рупором.
Важной составной частью фазированных антенных решеток (ФАР) является ее излучающая часть - антенная решетка, которая обеспечивает преобразование направляемых волн в каналах ФАР в волны излучения свободного пространства и, наоборот, преобразование волн излучения в направляемые волны. Антенная решетка во многом определяет такие важные показатели качества ФАР, как ее коэффициент усиления, плотность упаковки элементов в ФАР и т.д.
Известна фазированная антенна [Патент РФ 2365000, МПК Н01Q 21/00], состоящая из волноводов квадратного сечения с раскрывами в виде рупоров.
Волноводно-рупорные излучатели обеспечивают достаточно высокий коэффициент усиления.
Недостатком волноводно-рупорных излучателей являются: большие поперечные размеры, малая плотность упаковки элементов в ФАР, обусловленные большим размером раскрыва рупора.
Известны волноводные излучатели на основе круглых, прямоугольных и сверхразмерных тонкостенных металлических волноводов, которые применяются как отдельные излучатели, так и в составе ФАР.
Известен волноводный излучатель [патент США № 3434166], который представляет собой открытый конец круглого волновода с фланцем.
0.5
Для уменьшения поперечных размеров излучателей используют заполнение волноводов диэлектриком, при этом поперечные размеры уменьшаются в εраз, где ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика [патент РФ № 1288790, МПК Н01Q 13/00, патент США № 3938158; Хандамиров В.Л., Сергеев Д.А. Исследование многоэлементного волноводного облучателя // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. Журнал, 2016, № 5, с. 66-81], а оси отрезков волноводов расположены перпендикулярно плоскости решетки.
Достоинством волноводных излучателей является их малые поперечные размеры, простота конструкции, возможность высокой упаковки элементов в ФАР.
Недостатками таких излучателей является сравнительно низкий коэффициент усиления.
В качестве прототипа выбран волноводный излучатель, используемый в составе волноводной антенной решетки с плотной упаковкой элементов [патент РФ № 1802383 МПК Н 01 Q 1/42, 13/00], состоящий из тонкостенного прямоугольного металлического волновода с открытым концом.
Задачей настоящей полезной модели
является устранение указанного недостатка, а именно повышение коэффициента усиления волноводного излучателя при сохранении его поперечного размера.
Заявляемый волноводный излучатель с повышенным коэффициентом усиления, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных антенных устройств.
.
В результате проведенных исследований, было обнаружено что при облучении диэлектрических мезоразмерных частичек с характерным размером порядка λ, где λ - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне от 1.2 до 1.7, происходит формирование на ее внешней границе ( в ближней зоне) с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4. При этом диэлектрические частицы могут иметь различную форму поверхности: шар, цилиндр, диск, кубик, пирамида, усеченная пирамида и т.д. [И.В.Минин, О.В.МининФотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С.4-10; Minin I.V., Minin O.V., Kharitoshin N.A. Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2015; V.Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin, O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V.105, 084102 (2014)]. Кроме того, формирование области с повышенной интенсивностью излучения и с поперечными размерами порядка λ/3- λ/4 происходит и в случае при их облучении диэлектрических волной с плоским фронтом и сферически сходящимся фронтом.
Применение диэлектрических мезоразмерных частиц в антенной технике, а точнее в волноводных излучателях для повышения коэффициента усиления не известно.
В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы, например в форме куба, правильной четырехугольной пирамиды, правильной усеченной пирамиды, кругового конуса и цилиндра с характерным размером порядка λ, где λ - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала, лежащим в диапазоне от 1.2 до 1.7, при их размещении на открытом конце волноводного излучателя с фланцем и без, увеличивают коэффициент усиления антенны, при этом характерный размер частиц не превышает длины волны излучения в свободном пространстве. При использовании сверхразмерных волноводов характерный размер диэлектрической частицы выбирается равным порядка nλ, где n = 1, 2, …, λ - длина волны излучения в свободном пространстве.
При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1.2 и более 1.7 не происходит увеличение усиления волноводного излучателя ионного предела и может быть обеспечен формирующей системой.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве
волноводного излучателя, состоящего из тонкостенного металлического волновода с открытым торцом, при этом к открытому торцу концу волновода присоединена своим плоским основанием диэлектрическая мезочастица с характерными размерами порядка длины волны излучения в свободном пространстве, и выполненная из материала с коэффициентом преломления, выбираемым в диапазоне от 1.2 до 1.7.
Кроме того, диэлектрическая мезочастица размещается на открытом конце торца волновода с фланцем.
Кроме того, характерный размер диэлектрической частицы выбирается порядка nλ, где n = 1, 2, …, λ - длина волны излучения в свободном пространстве.
Кроме того, диэлектрическая мезочастица имеет форму куба.
Кроме того, диэлектрическая мезочастица имеет форму правильной четырехугольной пирамиды.
Кроме того, диэлектрическая мезочастица имеет форму правильной усеченной пирамиды.
Кроме того, диэлектрическая мезочастица имеет форму кругового конуса.
Кроме того, что диэлектрическая мезочастица имеет форму цилиндра.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема волноводного излучателя.
На фиг. 2 приведены формы диэлектрических мезоразмерных частиц: а - куб; б - правильная четырехугольная пирамида, в - правильная усеченная пирамида; г - круговой конус; д - цилиндр.
На фиг. 3 приведены зависимости усиления волноводного излучателя с мезочастицей от частоты излучения и внешний вид излучателя (а) и волноводного излучателя (прототипа) от частоты излучения (б).
к
к.
На фиг. 4 показаны диаграмма направленности волноводного излучателя с мезочастицей (а) и открытого конца волновода (б) на частоте 55 ГГц для Е и Н поляризации и кросспроляризации Е и Н
к
к
На фиг. 5. показаны диаграмма направленности волноводного излучателя с мезочастицей (а) и открытого конца волновода (б) на частоте 70 ГГц для Е и Н поляризации и кросспроляризации Е и Н.
к
к
На фиг. 6 показаны диаграмма направленности волноводного излучателя с фланцем и с мезочастицей (а) и открытого конца волновода с фланцем (б) на частоте 55 ГГц для Е и Н поляризации и кросспроляризации Е и Н.
к
к
На фиг. 7 показаны диаграмма направленности волноводного излучателя с фланцем и с мезочастицей (а) и открытого конца волновода с фланцем (б) на частоте 70 ГГц для Е и Н поляризации и кросспроляризации Е и Н.
На фиг. 8 приведены зависимости усиления волноводного излучателя с фланцем и мезочастицей от частоты излучения и внешний вид излучателя (а) и волноводного излучателя с фланцем от частоты излучения (б).
Обозначения: 1 - диаграмма направленности волноводного излучателя, 2 - диэлектрическая мезочастица, 3 - тонкостенный волновод, 4 - электромагнитное излучение, поступающее в волновод от источника электромагнитной энергии.
Работа сканирующего устройства происходит следующим образом. Источник энергии электромагнитного излучения 4 генерирует электромагнитное излучение, которое поступает в тонкостенный волновод 3 и направляется к открытому концу волновода. Электромагнитное излучение облучает диэлектрическую мезочастицу 2 и в результате дифракции и интерференции волн на ней формирует диаграмму направленности 1 волноводного излучателя.
Дополнительным положительным эффектом является герметизация диэлектрической мезоразмерной частицей волноводного излучателя.
Диэлектрическая мезочастица может быть изготовлена, например, методами 3D принтера или путем механической обработки.
В качестве материалов для диэлектрической мезочастицы могут быть использованы, например, полиэтилен с коэффициентом преломления N≈1.51, поли-4-метилпентен N≈1.46, фторопласт N≈1.44-1.46, плексиглас N≈1.59-1.60 [Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах: методы и техника / Р.А. Валитов, С.Ф. Дюбко, Б.И. Макаренко и др. М.: Радио и связь, 1984. - 296 с.] или быть изготовлены из искусственных материалов, например, приведенных в [Патент РФ №: 2263124, Диэлектрическая полимерная пена и линза для радиоволн с ее использованием].
Экспериментальные исследования проводились в диапазоне частот 50-75 ГГц, путем сравнения коэффициента усиления волноводного излучателя в виде открытого конца прямоугольного волновода с фланцем и без и предложенного, для диэлектрических частиц различной формы. Установлено, что форма диэлектрических частиц влияет слабо на коэффициент усиления волноводного излучателя (фиг. 2). Для диэлектрической частицы в форме куба с величиной ребра, равной длине волны излучения, и коэффициентом преломления материала, равным 1.46, коэффициент усиления увеличивается на 6-5 дБи, и неравномерность усиления в указанном диапазоне частот снижается в 3-4 раза (Фиг. 3-8).