Рупорная антенна С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором

Предлагаемая рупорная антенна С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором относится к области антенной техники и может быть использована в радиотехнических системах различного назначения как самостоятельно, так и в качестве базового элемента облучателя зеркальных и линзовых антенн для обеспечения приема-передачи сигналов.
Проведенный патентный поиск показал, что известен способ создания рупорных излучателей, изготовленных особым способом соединения деталей при помощи клея (RU 2503101. Рупорный излучатель и способ его изготовления). При этом одна деталь излучателя металлическая, а вторая изготовлена из композиционных материалов. Данное изобретение направлено на повышение прочности излучателя в условиях знакопеременных температур. Технология клеевого соединения металлических компонентов рупорной антенны так же применяется в изобретении (RU 2466484. Рупорный излучатель и способ его изготовления). Известны изобретения, в которых описано использование углекомпозитных материалов для создания конструкционных элементов антенн, волноводов, рефлекторов и корпусной аппаратуры (RU 2427949 Трансформируемая антенна зонтичного типа космического аппарата). Следует отметить, что в космических антеннах углекомпозитные материалы применяются для снижения веса аппаратуры, придания прочности несущим элементам конструкций и исключения влияния температурных деформаций. При этом к композитным материалам не предъявлялись требования электропроводности. Принципиальным отличием в создании антенных устройств с высокой стабильностью и низким удельным весом является применение проводящих углекомпозитных материалов. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой рупорной антенне С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором является изобретение (RU 2577918. Антенно-фидерное устройство из углекомпозитного материала и способ его изготовления). Принятая за прототип рупорная антенна изготовлена путем круговой намотки углекомпозитной нити на заготовку, волокна которой расположены в плоскости, перпендикулярной оси волноводного элемента. К недостаткам антенно-фидерного устройства из углекомпозитного материала следует отнести то, что при намотке нити на заготовку нет возможности контролировать наличие контактных сопротивлений между отдельными витками, которое приводит к анизотропии проводимости стенок волновода в СВЧ диапазоне и искажает характеристики антенны, что отмечено авторами изобретения (Дугин Н.А., Заборонкова Т.М., Мясников Е.Н. Исследование поляризационных характеристик углекомпозитной антенны L диапазона // Великие реки 2016: Материалы международной научно-методической конференции. ФГБОУ ВО «ВГУВТ».-2016.-URL://вф-река-море-рф/2016/PDF/119.pdf (дата обращения 24.12.2021)).
Рупорная антенна С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором состоит из последовательно соединенных круглой волноводной части и рупора. Технический результат заявленного решения заключается в обеспечении изотропности проводимости рабочей поверхности и стабильности электромагнитных характеристик антенны в СВЧ-диапазоне путем выполнения внутренней поверхности волновода и рупора из углекомпозитной ткани с перпендикулярным переплетением волокон.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1 - внешний вид макета антенны С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором (слева) и металлического аналога (справа).
Фиг. 2 - рабочая поверхность рупорной антенна С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором.
Фиг. 3 - характеристики КСВн рупорных антенн: сплошной линией обозначена характеристика металлической антенны, штриховой для антенны С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором.
Фиг. 4 - нормированные характеристики диаграмм направленности рупорных антенн: сплошной линией обозначена характеристика металлической антенны, штриховой для антенны С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором.
Фиг. 5 - поляризационная диаграмма металлической рупорной антенны.
Фиг. 6 - поляризационная диаграмма рупорной антенны С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором.
Экспериментально исследован макет заявляемого устройства с размерами: длина волноводной части 80 мм, диаметр 42 мм, длинна рупора 46 мм, раскрыв рупора 50,5 мм. Отличительной особенностью антенны является то, что на торце волноводной части антенны установлен фланец для подключения запитывающего устройства. Подстройка антенны на рабочую частоту осуществляется при помощи установленного на стенках волновода поляризационного устройства, состоящего из шести подвижных металлических штырей с резьбой м4. Расстояние между поляризационными штырями составляет 30 мм, расстояние от фланца до первой пары штырей 13 мм. Для запитки антенны использовалось устройство, состоящее из двух ортогональных диполей, развернутых относительно поляризационного устройства под углом 45°. В качестве эталонного образца использовалась металлическая антенна, изготовленная традиционным способом с аналогичными геометрическими размерами. Внешний вид макета полезной модели и металлического аналога представлен на фотографии фиг. 1. Фото внутренней, рабочей поверхности волновода из ткани представлено на фиг. 2. По результатам исследования коэффициента стоячей волны фиг. 3 и диаграммы направленности фиг. 4 установлено, что вышеуказанные электромагнитные параметры антенн оказались близки (сплошной линией обозначена характеристика металлической антенны, штриховой - углекомпозитного макета). Коэффициент стоячей волны по напряжению в рабочем диапазоне частот не превышал значения 1.4. На основании экспериментальных исследований поляризационных характеристик рупорной антенны С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором (фиг. 5) и металлического аналога (фиг.6) сделано заключение об изотропных свойствах проводимости рабочей поверхности углекомпозитной антенны. В отличие от прототипа, в работе макета полезной модели не наблюдается нарушения работы поляризационного устройства.
Заявляемая рупорная антенна С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором конструктивно проста. Для ее изготовления необходимы широко применяемые материалы, и она может быть изготовлена на среднетехническом предприятии. По сравнению с прототипом, предлагаемая рупорная антенна С-диапазона из углекомпозитного материала с поляризатором работает в более высоком частотном диапазоне. Центральная рабочая частота макета полезной модели - 5 ГГц, по сравнению с 1,6 ГГц для прототипа. При этом не происходит изменения поляризации излучаемого антенной сигнала за счет изотропии проводимости рабочей поверхности стенок волновода и рупора.