ШИРОКОПОЛОСНАЯ ТЕМ-РУПОРНАЯ АНТЕННА С НЕОДНОРОДНЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗАПОЛНЕНИЕМ ПРОСТРАНСТВА РАСКРЫВА

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к рупорным широкополосным антеннам СВЧ-диапазона, и может быть использовано как в качестве одиночного излучателя, так и в антенных решетках. Свойства предлагаемого устройства позволяют также использовать его в различных видах радиолокаторов, радиопеленгаторов, системах приема и передачи информации.
Известно антенное устройство – ТЕМ-рупор, представляющий из себя две расширяющиеся от волноводного входа металлические пластинки, расстояние между которыми также увеличивается с удалением от точки запитки (чаще волноводный, микрополосковый или коаксиальный вход). Таким образом достигается плавный переход от входного импеданса антенны к импедансу свободного пространства - 120π. Это устройство подробно рассмотрено в монографиях: А.В. Ашихмин. «Проектирование и оптимизация сверхширокополосных антенных устройств и систем для аппаратуры радиоконтроля», М.: Радио и связь, 2005; Л.Ю. Астанин, А.А. Костылев «Основы сверхширокополосных радиолокаационных измерений», М.: Радио и связь, 1989; И.Я. Иммореев. «Сверхширокополосная радиолокация: основные особенности и отличия от традиционной радиолокации» // Электромагнитные волны и электронные системы, т. 2, №1, с. 81-88, 1997. Существуют рупорные антенны нескольких типов: обычный пирамидальный волноводный рупор, конический рупор, лепестковый или ТЕМ-рупор, описанный выше, а также их всевозможные модификации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является антенное устройство по патенту US №6859187, МПК G01F 23/284; H01Q 1/22; H01Q 13/02; H01Q 19/08, опубл. 2003-09-25, принятое за прототип.
Принцип работы радара показан на фиг. 1. Резервуар 1 используется для хранения материала 2. Материал может быть текучей средой, такой как масло, нефтепродукты и газ в жидком состоянии, или материалом в виде частиц, т.е. пылевидного вещества. Радиолокатор 3 расположен на крыше 4 резервуара 1, откуда микроволновый луч передается от радара через антенну 5 во внутреннюю часть резервуара. Излучаемый луч отражается от поверхности 6 среды и принимается антенной 5. Посредством сравнения и оценки временной задержки между переданным сигналом и отраженным сигналом блоком управления оценивается уровень поверхности 6 среды.
Антенна-прототип содержит первый проводящий корпус (волновод) 7, приводящий к первой апертуре 8, снабженный устройством согласования 9, представляющим собой продолжение волновода 7, на устройстве 9 расположен волноводный порт 10, крепящийся к волноводу 7. Также антенна-прототип содержит диэлектрическое заполнение 11, расположенное внутри первого проводящего корпуса 7 и имеющее открытый конец 12 в области первой апертуры 8, фиксирующее устройство (кольцо) 13 установлено около первой апертуры 8 для фиксации диэлектрического заполнения 11 в первом корпусе 7. В зоне фиксации 13 содержится уплотнительный элемент 14 между диэлектрическим заполнением 11 и корпусом 7, состоящий из одного или нескольких уплотнительных колец. Такое же уплотнение 15 содержится у согласующего устройства 9. Дополнительный выступ 16 на свободном конце 12 диэлектрика прижимается кольцом 13, являющимся запорным устройством. Это кольцо может быть прикреплено к выступу 17 корпуса через комплементарные нити, соединяющие выступ 17 и кольцо 13 соответственно или другим подходящим способом соединения. На удерживающем устройстве 13 может быть закреплена вторая часть антенны 18 с апертурой 19, как показано на фиг. 2. Такое устройство, по мнению авторов, способно обеспечить достаточную эффективность работы антенны.
Устройство-прототип работает следующим образом.
При подаче через питающий фидер или волновод высокочастотного сигнала к устройству согласования импеданса 9 происходит возбуждение антенны. Благодаря электромагнитной связи между питающей линией и излучателями 7, 18, а также электрическому контакту, осуществляемому через соединительные металлизированные отверстия в согласующем переходе 9, возбуждаются одновременно нижний и верхний лепестки антенны и происходит излучение сигнала в широкой полосе частот. Благодаря наличию материала заполнения 11 происходит дополнительное расширение полосы частот антенны.
Недостатками устройства-прототипа являются ограничение по верхней граничной частоте, а также сложность осуществления входа электромагнитного возмущения в диэлектрическое заполнение без переотражений, что приводит к распаду диаграммы направленности.
Задачей предлагаемого устройства является обеспечение плавного перехода в диэлектрическое заполнение антенного раскрыва.
Технический результат заключается в повышении верхней граничной частоты, а также сокращении эффекта распадения диаграммы направленности на высоких частотах.
Технический результат достигается тем, что в широкополосной ТЕМ-рупорной антенне с неоднородным диэлектрическим заполнением пространства раскрыва, содержащей металлический корпус, волноводный порт, устройство согласования, диэлектрическое заполнение пространства раскрыва, согласно полезной модели один край диэлектрического заполнения пространства раскрыва находится в точке фазового центр антенны, второй - совпадает с апертурой, а само диэлектрическое заполнение является неоднороодным, причем его диэлектрическая проницаемость в главном направлении (0 радиан по горизонтали) максимальна, а с увеличением угла (расстояния от главного направления) она уменьшается вплоть до ε≈1.
На фиг. 1 приведена схема работы ТЕМ-рупорной антенны.
На фиг. 2 приведена схема устройства прототипа.
На фиг. 3 приведены две проекции (вид сбоку (а) и вид сверху (б)) заявленного устройства
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При подаче высокочастотного сигнала к точке питания 20 любым удобным способом, например микрополосковой линией или коаксиальным кабелем, после согласующего устройства 21 происходит возбуждение антенных лепестков 22 и 23. Благодаря электромагнитной связи между питающей линией 20 и излучателями возбуждаются одновременно обе излучающие поверхности 22 и 23 антенны. Благодаря заполнению с переменной диэлектрической проницаемостью 24 происходит компенсация разницы времени распространения лучей из фазового центра 25 до апертуры антенны 26, вследствие чего волновой фронт в апертуре антенны можно условно считать плоским, что приводит к росту верхней граничной частоты и улучшению диаграммы направленности (уменьшение уровня боковых лепестков, усиление в главном направлении распространения). Распределение диэлектрической проницаемости в материале заполнения выбиралось из соображений геометрической оптики, а именно таким образом, чтобы время распространения луча из фазового центра до апертуры антенны было одинаково во всех направлениях. Это достигается следующим образом: когда в нулевом направлении (под углом 0 радиан к горизонтали) диэлектрическая проницаемость будет принимать максимальное значение и изменяться в меньшую сторону с ростом угла распространения до значения ε≈1.
В точке фазового центра антенны 25 находится край неоднородного диэлектрического заполнения 24 пространства раскрыва. Заполнение пространства раскрыва лепестков 22 и 23 ТЕМ-рупора выполняется специально разработанным методом. Исходя из соображений волновой и геометрической оптики для получения на выходе антенны 26 плоского фронта волны была построена аналитическая модель изменения диэлектрической проницаемости среды заполнения. На практике эта часть устройства была получена методом аддитивных технологий печати ABS пластиком с различной плотностью в зависимости от расстояния главного направления антенны, где плотность была наибольшей для временной задержки электромагнитной волны относительно краев антенны. Такой метод позволяет добиться практически безотражательного вхождения волны в диэлектрическую линзу, что положительно сказывается на коэффициенте стоячей волны (КСВ) и коэффициенте направленного действия (КНД) антенны.