Широкополосная турникетная антенна с пирамидальным экраном

Предлагаемое устройство относится к антенной технике и может быть использовано в качестве передающей и приемной широкополосной антенны эллиптической поляризации УКВ и СВЧ диапазонов.
Известны антенны, в которых эллиптическая поляризация достигается за счет излучения двух линейных поляризаций с определенной разностью фаз (А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов/ Антенно-фидерные устройства/Изд. "Советское радио", Москва 1974- стр.312). Недостатком таких антенн является узкая полоса рабочих частот, ограниченная шириной полосы пропускания фазовращателя.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству является антенна, описанная в работе (S.-W. Qu, C. H. Chan/ Wideband and high-gain composite cavity-backed crossed triangular bowtie dipoles for circularly polarized radiation/ IEEE Transactions on antennas and propagation, vol. 58, №10, 2010- pp.3157-3164), принятая за прототип.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено:
1 – печатный диполь;
2 – печатный диполь с емкостной вставкой;
4 – щелевая линия питания;
5 – экран;
7 – коаксиально-полосковый переход;
Устройство-прототип состоит из излучателя, образованного диполями 1 и 2, расположенными на диэлектрической плате (на фиг. 1 не показана). Плата устанавливается на щелевую линию питания 4, полученная конструкция устанавливается в центр экрана 5. Коаксиально-полосковый переход 7 позволяет подключать антенну к коаксиальным фидерным линиям. Ось коаксиальной фидерной линии совпадает с продольной осью симметрирующей линии и нормальной осью печатной платы (осью оZ).
Устройство-прототип работает следующим образом.
Печатный диполь 1 имеет каплевидную форму плеча, ширина которой одного порядка с длиной. Вследствие этого распределение тока больше не является синусоидальным, что позволяет добиться квазитреугольного распределения тока во всей полосе частот. Емкостная вставка на печатном диполе 2 одновременно является и элементом согласования, и элементом поворота фазы между диполями. Распределение тока на диполе 2 не является непрерывным из-за наличия сосредоточенной емкости, что приводит к изменению комплексного входного сопротивления элемента. Таким образом, печатные диполи 1 и 2 имеют разные фазы входного сопротивления, что эквивалентно использованию фазовращателя. Щелевая линия питания 4 является полосковым симметрирующим устройством. Экран 5 служит отражателем заднего лепестка излучающих диполей. Ширина экрана 5 позволяет управлять шириной диаграммы направленности антенны.
Недостатками устройства-прототипа являются технологическая и конструктивная сложность изготовления симметрирующей щелевой линии питания, а также ее малая электрическая длина, из-за чего размах плеч излучателя составляет 0,6 максимальной длины волны, что приводит к быстрому раздвоению основного лепестка диаграммы направленности с увеличением частоты. Таким образом, отношение верхней рабочей частоты к нижней составляет не более 1.5. Кроме того, ортогональное расположение печатных несущих элементов (платы с диполями 1 и 2 и щелевой линии питания 4) обладает малой стойкостью к внешним механическим воздействиям. Параметр согласования антенны по входу: КСВН < 2 в рабочем диапазоне.
Задачей предлагаемого устройства является расширение рабочей полосы частот и увеличение ширины основного лепестка диаграммы направленности при одновременном упрощении конструкции и повышении надежности.
Для решения поставленной задачи в широкополосную турникетную антенна с пирамидальным экраном, содержащую излучатель из двух ортогональных печатных диполей, один из которых с емкостной вставкой, расположенных на диэлектрической плате, а также экран и линию питания, согласно полезной модели, что введен Т-образный диэлектрический держатель, служащий стрежнем для дроссельной линии питания, которая выполнена коаксиальной, несимметричной, обеспечивающей дроссельную развязку излучателя с экраном, имеющим пирамидальную форму, при этом диэлектрическая плата закреплена на Т-образном диэлектрическом держателе.
Схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 2, где обозначено:
1 – печатный диполь;
2 – печатный диполь с емкостной вставкой;
3 – диэлектрическая плата;
4 – дроссельная линия питания;
5 –экран;
6 – Т-образный диэлектрический держатель.
Предлагаемое антенное устройство состоит из излучателя, образованного диполями 1 и 2, расположенными на диэлектрической плате 3. Диэлектрическая плата 3 устанавливается на Т-образный диэлектрический держатель 6, служащий стрежнем для дроссельной линии питания 4, выполненной коаксиальным кабелем. Дроссельная линия питания 4 проходит сквозь экран 5, имея электрический контакт внешней оплетки кабеля с экраном.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При подаче сигнала по дроссельной линии питания 4, являющейся несимметричной коаксиальной линией, возбуждаются токи на одном плече каждого из диполей 1 и 2. Полученное электрическое поле наводит симметричные токи на втором плече соответствующего диполя. Таким образом, полученное интегральное поле оказывается эквивалентным полю при использовании симметрирующей линии питания (щелевой линии питания 4 устройства-прототипа). Развязка между вторыми плечами диполей 1 и 2 и экраном 5, имеющим гальванический контакт, обеспечивается за счет индуктивности намотки дроссельной линии питания 4. Стержнем для дросселя, образованного дроссельной линией питания 4, служит Т-образный держатель 6, выполненный из диэлектрика. Вращение фазы между ортогональными диполями 1 и 2 достигается наличием емкостной вставки на печатном диполе 2 (на фиг. 2 не обозначена). Величина емкости регулируется толщиной диэлектрической платы 3. Наличие емкостной вставки на диполе 2 приводит к изменению распределения тока и к изменению фазы комплексного входного сопротивления, что обеспечивает вращающуюся поляризацию излучения в направлении, ортогональном плоскости обоих диполей 1 и 2.
При использовании дроссельной линии питания 4 увеличивается диапазон рабочих частот в сторону более длинных волн. Таким образом, отношение размаха плеч вибратора 1 к максимальной длине волны рабочего диапазона частот составит 0,4 (у устройства-прототипа 0,6), что позволяет уменьшить размер турникетной антенны. Уменьшение размера приводит к стабильности диаграммы направленности в большем диапазоне частот. Таким образом, отношение верхней рабочей частоты к нижней составляет 3 и более. Параметр согласования по входу антенны: КСВН < 2 в рабочем диапазоне.
Экран 5 имеет пирамидальную форму и служит для отражения заднего лепестка излучения в направлении, отличном от направления главного лепестка, что приводит к расширению диаграммы направленности, в отличие от устройства-прототипа, где экран 5 выполняет фокусирующую функцию.
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое устройство обладает большей широкополосностью при меньших размерах и конструктивной и технологической простоте. Кроме того, в отличие от прототипа, введение Т-образного держателя позволяет добиться большей жесткости конструкции, что повышает эксплуатационные характеристики устройства, а также увеличивает надежность и стойкость к внешним воздействиям.