АНТЕННА ПОЛОСКОВО-ЩЕЛЕВАЯ (ВАРИАНТЫ)
STRIPLINE-SLOT ANTENNA (VERSIONS)

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, а именно к антеннам с частотным сканированием, и может быть использовано в различных радиотехнических системах, в том числе радиотехнических системах связи, радиолокации, радионавигации и др., базирующихся как на неподвижных, так и на подвижных объектах.
Известна полосковая щелевая антенна (а.с. СССР №913892), содержащая несимметричную полосковую линию с двумя параллельными проводниками и периодическую систему незамкнутых щелевых излучателей с изменяющейся вдоль антенны шириной полосковых проводников и щелей. Антенна характеризуется простотой конструкции и обеспечивает требуемую диаграмму направленности антенны.
Известна полосковая щелевая антенна (а.с. СССР №1250129), содержащая несимметричную полосковую линию с двумя проводниками и систему незамкнутых щелевых излучателей. В данной антенне при постоянстве ширины проводников уменьшается расстояние от них до заземленного основания при одновременном увеличении ширины щелей в нижнем проводнике, что обеспечивает постоянство и чисто активный характер входного сопротивления и, как следствие, увеличивает диапазонные свойства антенны.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является микрополосковая щелевая антенна (а.с. СССР №1626292), содержащая диэлектрик в виде подложки, на одной стороне которой расположен полосковый проводник, а на другой - металлический экран, в котором выполнены две прямоугольные щели, перпендикулярные продольной оси проводника, со смещением на разные расстояния от разомкнутого конца проводника. Данная конструкция позволяет расширить рабочую полосу частот.
К недостаткам этих конструкций относится то, что они имеют слабую направленность и небольшой радиус действия, а также подвержены воздействию внешних электромагнитных излучений, т.е. имеют низкую помехозащищенность.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание полосково-щелевых антенн с улучшенными параметрами диаграммы направленности, обладающих более высокой помехозащищенностью и надежностью в работе.
Техническим результатом при реализации изобретения является увеличение сектора сканирования, повышение точности определения угловых координат цели, улучшение амплитудно-фазовых характеристик, устранение случайных резонансов и, как следствие, повышение КПД, а также высокая помехозащищенность и надежность конструкции.
Для достижения указанных технических результатов представлено четыре варианта полосково-щелевой антенны.
o
r
В первом варианте полосково-щелевая антенна, содержащая металлический экран со щелями, проводник, диэлектрик, снабжена герметиком, поглощающей нагрузкой, рупором и герметизирующей заглушкой, при этом металлический экран выполнен в виде корпуса из трубы прямоугольного сечения, на одной из широких стенок которой выполнены щели с шагом , где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве, ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, при этом щели выполнены различной ширины для каждого излучателя, а проводник размещен на продольной оси корпуса и его первый конец является входом антенны, второй конец проводника соединен с поглощающей нагрузкой, внутренняя полость корпуса заполнена герметиком, а рупор выполнен ступенчатым и закрыт герметизирующей заглушкой.
o
о
Во втором варианте полосково-щелевая антенна, содержащая металлический экран со щелями и проводник, снабжена герметиком, поглощающей нагрузкой, рупором и герметизирующей заглушкой, при этом металлический экран выполнен в виде корпуса из трубы прямоугольного сечения, на одной из широких стенок которой выполнены щели, причем проводник выполнен волнообразным с радиусом полуволн R=λ/2π, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве, и размещен на продольной оси корпуса параллельно стенке со щелями, при этом щели выполнены различной ширины для каждого излучателя и размещены напротив выступов или впадин проводника, первый конец проводника является входом антенны, второй конец соединен с поглощающей нагрузкой, внутренняя полость корпуса заполнена герметиком, а рупор выполнен ступенчатым и закрыт герметизирующей заглушкой.
o
o
В третьем варианте полосково-щелевая антенна, содержащая металлический экран со щелями и проводник, снабжена герметиком, поглощающей нагрузкой, рупором и герметизирующей заглушкой, при этом металлический экран выполнен в виде корпуса из трубы прямоугольного сечения, на одной из широких стенок которой вдоль продольной оси выполнены, по меньшей мере, две щели, причем проводник выполнен волнообразным с радиусом полуволн R=λ/2π, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве, и размещен на продольной оси корпуса параллельно стенке со щелями, при этом щели выполнены различной ширины для каждого излучателя, первый конец проводника является входом антенны, второй конец соединен с поглощающей нагрузкой, внутренняя полость корпуса заполнена герметиком, а рупор выполнен ступенчатым и закрыт герметизирующей заглушкой.
В четвертом варианте полосково-щелевая антенна, содержащая металлический экран и центральный проводник, снабжена дополнительной антенной и мостовым устройством, причем дополнительная антенна выполнена зеркально основной антенне, а основная и дополнительная антенны выполнены по одному из первых трех вариантов, при этом входы основной и дополнительной антенн размещены в центральной части корпуса и соединены с помощью мостового устройства.
о
r
Отличительными признаками в первом варианте предлагаемого изобретения является то, что полосково-щелевая антенна снабжена герметиком, поглощающей нагрузкой, рупором и герметизирующей заглушкой. Металлический экран выполнен в виде корпуса из трубы прямоугольного сечения, на одной из широких стенок которой выполнены щели с шагом , где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве, ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Щели выполнены различной ширины для каждого излучателя. Проводник размещен на продольной оси корпуса и его первый конец является входом антенны, второй конец проводника соединен с поглощающей нагрузкой. Внутренняя полость корпуса заполнена герметиком. Рупор выполнен ступенчатым и закрыт герметизирующей заглушкой.
o
o
Отличительными признаками во втором варианте предлагаемого изобретения является то, что полосково-щелевая антенна снабжена герметиком, поглощающей нагрузкой, рупором и герметизирующей заглушкой. Металлический экран выполнен в виде корпуса из трубы прямоугольного сечения, на одной из широких стенок которой выполнены щели. Проводник выполнен волнообразным с радиусом полуволн R=λ/2π, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве, и размещен на продольной оси корпуса параллельно стенке со щелями. Щели выполнены различной ширины для каждого излучателя и размещены напротив выступов или впадин проводника. Первый конец проводника является входом антенны, второй конец соединен с поглощающей нагрузкой. Внутренняя полость корпуса заполнена герметиком. Рупор выполнен ступенчатым и закрыт герметизирующей заглушкой.
о
о
Отличительными признаками в третьем варианте предлагаемого изобретения является то, что полосково-щелевая антенна снабжена герметиком, поглощающей нагрузкой, рупором и герметизирующей заглушкой. Металлический экран выполнен в виде корпуса из трубы прямоугольного сечения, на одной из широких стенок которой вдоль продольной оси выполнены, по меньшей мере, две щели. Проводник выполнен волнообразным с радиусом полуволн R=λ/2π, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве, и размещен на продольной оси корпуса параллельно стенке со щелями. Щели выполнены различной ширины для каждого излучателя. Первый конец проводника является входом антенны, второй конец соединен с поглощающей нагрузкой. Внутренняя полость корпуса заполнена герметиком. Рупор выполнен ступенчатым и закрыт герметизирующей заглушкой.
Отличительными признаками в четвертом варианте предлагаемого изобретения является то, что полосково-щелевая антенна снабжена дополнительной полосково-щелевой антенной и мостовым устройством. Дополнительная антенна выполнена зеркально основной антенне, при этом основная и дополнительная антенны выполнены по одному из первых трех вариантов. Входы основной и дополнительной антенны размещены в центральной части корпуса и соединены с помощью мостового устройства.
Длина волны в полосковой линии с диэлектрическим заполнением определяется формулой:
r
r
о
Для фторопласта-4 относительная диэлектрическая проницаемость ε≈2 и, следовательно, λ=0,7λ.
Щели (излучатели) размещены с шагом:
.
n
Углы наклона α щелей к продольной оси корпуса определяют поляризацию антенны. При α=90° поляризация антенны будет горизонтальной. Ширина S щелей и их количество определяются требованиями к диаграмме направленности антенны, а именно: шириной главного луча, допустимым уровнем боковых лепестков, коэффициентом усиления и др. параметров, которые, в свою очередь, обусловлены назначением антенны. Как правило, современные антенны должны обеспечивать ширину луча от 1° до 3°, угол боковых лепестков меньше или равен 30 дБ, коэффициент усиления больше 1000. Для реализации куполообразного распределения поля вдоль щелей их ширина для каждого излучателя различная. Реализация полосково-щелевых антенн с такими характеристиками во многом определяется свойствами полосково-щелевых излучателей. Результаты расчета полосково-щелевых излучателей и их анализ даны в приложениях 1 и 2.
Волнообразная форма проводника позволяет получить необходимое замедление скорости распространения колебаний. Отсутствие диэлектрика в рабочем зазоре способствует уменьшению потерь в линии передачи, т.е. повышает КПД антенны. Волнообразная форма проводника полосково-щелевой антенны наиболее оптимальная с точки зрения ее согласования, так как проводник состоит из последовательности полуокружностей, а полуволновые неоднородности являются согласованными. В целом, полосковая линия передачи с волнообразным проводником представляет собой регулярную линию передачи, волновое сопротивление которой зависит не только от поперечного сечения проводника, но и от радиуса полуволн.
Если центры полуволн расположены на оси центрального проводника, то радиус полуволны составляет:
При расположении щелей перпендикулярно и симметрично относительно продольной оси проводника расстояние между двумя синфазными точками проводника и соответственно шаг щелей составляет:
Если щели расположены вдоль продольной оси проводника, то они пересекают проводник в точке соединения полуволн. Расстояние между двумя соседними точками пересечения проводника со щелями составляет половину длины волны. Два соседних излучателя возбуждаются синфазно, так как направление тока в проводнике в этих точках противоположное. Продольная ориентация щелей оказывается полезной, когда требуется горизонтальная антенна с вертикальной поляризацией. При изготовлении корпуса с двумя щелями упрощается технология, а при изготовлении корпуса с тремя и более щелями повышается прочность корпуса. В зависимости от габаритных размеров антенны применяется корпус с тем или иным количеством щелей.
Качественные характеристики антенн существенно повышаются, если в конструкции предусмотрен дополнительный канал. Это достигается тем, что к основной антенне добавляется дополнительная антенна, выполненная зеркально основной, при этом входы антенн соединены с помощью мостового устройства. При этом образуются два канала: суммарный и разностный. Мостовое устройство может быть выполнено в виде 3-дБ направленного ответвителя на связанных полосках, 3-дБ направленного ответвителя шлейфного типа или гибридного кольца. Наличие суммарного и разностного канала повышает точность определения угловых координат цели в радиолокационных и радионавигационных системах и оказывается принципиально необходимым для нормального функционирования этих систем. Если разностный канал не используется функционально, он нагружается согласованной нагрузкой. Это способствует улучшению амплитудно-фазовых характеристик антенны, делает их симметричными, устраняет случайные резонансы и, как следствие, улучшает параметры диаграммы направленности антенны.
Во всех четырех вариантах для защиты от внешних помех металлический экран выполнен в виде корпуса из трубы прямоугольного сечения. Для защиты от воздействия внешней среды внутренняя полость корпуса заполнена герметиком (например, пенопластом). Для устранения влияния остаточной энергии проводник соединен с поглощающей нагрузкой.
Ширина главного луча диаграммы направленности антенны может быть существенно уменьшена за счет металлического рупора ступенчатой формы с герметизирующей заглушкой, который, по сравнению с плавным рупором, обеспечивает наилучшее согласование антенны со свободным пространством при минимальных габаритах. Герметизирующая заглушка предохраняет конструкцию от воздействия внешней среды.
На фиг.1 представлена конструкция полосково-щелевой антенны с прямолинейным проводником (рупор не показан).
На фиг.2 представлен разрез по А-А (см. фиг.1).
На фиг.3 представлена конструкция полосково-щелевой антенны с волнообразным проводником и поперечными щелями (рупор не показан).
На фиг.4 представлен разрез по Б-Б (см. фиг.3) (рупор не показан).
На фиг.5 представлена конструкция полосково-щелевой антенны с волнообразным проводником и продольными щелями (рупор не показан).
На фиг.6 представлен разрез по В-В (см. фиг.5) (рупор не показан).
На фиг.7 представлен пример исполнения полосково-щелевой антенны с волнообразным проводником и продольными щелями (рупор не показан).
На фиг.8 представлена конструкция двухканальной полосково-щелевой антенны с двумя прямолинейными проводниками и мостовым устройством (рупор не показан).
На фиг.9 представлена конструкция двухканальной полосково-щелевой антенны с двумя волнообразными проводниками и мостовым устройством (рупор не показан).
Полосково-щелевая антенна (см. фиг.1, 2) содержит корпус 1 со щелями 2, крышки 3 и 4, коаксиальный разъем 5, поглощающую нагрузку 6, проводник 7, гайку 8, диэлектрик 9, герметик 10, рупор 11 и герметизирующую заглушку 12.
n
o
r
Корпус 1 выполнен из трубы прямоугольного сечения. По центру одной из широких стенок корпуса 1 выполнены щели 2 различной ширины s для каждого излучателя с шагом , где λ - средняя длина волны рабочего диапазона длин волн в свободном пространстве, ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Торцы корпуса 1 закрыты крышками 3 и 4. В крышке 3 установлен коаксиальный разъем 5. На крышке 4 внутри корпуса 1 размещена поглощающая нагрузка 6. Проводник 7 размещен на продольной оси корпуса 1. Первый конец проводника 7 соединен с коаксиальным разъемом 5 и является входом антенны, второй конец соединен с поглощающей нагрузкой 6. Проводник 7 закреплен на крышке 4 при помощи гайки 8. Между проводником 7 и стенкой со щелями 2 размещен диэлектрик 9 (например, из фторопласта). Внутренняя полость корпуса 1 заполнена герметиком 10 (например, пенопластом). Излучатели снабжены рупором 11 ступенчатой формы с герметизирующей заглушкой 12 (например, из пенопласта).
Полосково-щелевая антенна (см. фиг.3, 4) содержит корпус 13 со щелями 14, проводник 15, герметик 16, две крышки, коаксиальный разъем, поглощающую нагрузку, гайку, рупор, герметизирующую заглушку (не показаны).
n
о
Корпус 13 выполнен из трубы прямоугольного сечения. По центру одной из широких стенок корпуса 13 перпендикулярно и симметрично относительно продольной оси выполнены щели 14 различной ширины S для каждого излучателя. Проводник 15 выполнен волнообразным с радиусом полуволн R=λ/2π и размещен на продольной оси корпуса 1 параллельно стенке со щелями 14. Щели 14 размещены напротив выступов или впадин проводника 15. Внутренняя полость корпуса 13 заполнена герметиком 16. Две крышки, коаксиальный разъем, поглощающая нагрузка, гайка, рупор, герметизирующая заглушка выполнены аналогично крышкам 3 и 4, коаксиальному разъему 5, поглощающей нагрузке 6, гайке 8, рупору 11, герметизирующей заглушке 12 (фиг.1, 2).
Полосково-щелевая антенна (см. фиг.5, 6) содержит корпус 17 с двумя щелями 18, проводник 19, герметик 20, две крышки, коаксиальный разъем, поглощающую нагрузку, гайку, рупор, герметизирующую заглушку (на фиг. не показаны).
n
о
Корпус 17 выполнен из трубы прямоугольного сечения. По центру одной из широких стенок корпуса 17 параллельно продольной оси выполнены две щели 18 различной ширины S для каждого излучателя. Проводник 19 выполнен волнообразным с радиусом полуволн R=λ/2π и размещен на продольной оси корпуса 17 параллельно стенке со щелями 18. Внутренняя полость корпуса 17 заполнена герметиком 20. Две крышки, коаксиальный разъем, поглощающая нагрузка, гайка, рупор, герметизирующая заглушка выполнены аналогично крышкам 3 и 4, коаксиальному разъему 5, поглощающей нагрузке 6, гайке 8, рупору 10, герметизирующей заглушке 11 (фиг.1, 2).
Полосково-щелевая антенна (см. фиг.7) содержит корпус 21 со щелями 22, проводник, герметик, две крышки, коаксиальный разъем, поглощающую нагрузку, гайку, рупор, герметизирующую заглушку (не показаны).
n
Корпус 21 выполнен из трубы прямоугольного сечения. По центру одной из широких стенок корпуса 21 параллельно продольной оси выполнены щели 22 переменной ширины S для каждого излучателя. Две крышки, коаксиальный разъем, поглощающая нагрузка, гайка, рупор, герметизирующая заглушка выполнены аналогично крышкам 3 и 4, коаксиальному разъему 5, поглощающей нагрузке 6, гайке 8, рупору 10, герметизирующей заглушке 11 (фиг.1, 2). Проводник и герметик выполнены аналогично проводнику 19 и герметику 20 (см. фиг.5, 6).
Полосково-щелевая антенна (фиг.8) содержит корпус 23 со щелями (не показаны), проводники 24 и 25, коаксиальные разъемы 26 и 27, две крышки, две поглощающие нагрузки, две гайки, диэлектрик, герметик, рупор, герметизирующую заглушку (не показаны). Корпус 23 выполнен из трубы прямоугольного сечения. Проводник 24 выполнен аналогично проводнику 7 (см. фиг.1, 2) и размещен на продольной оси корпуса 23 с одной стороны от его центра. Проводник 25 выполнен зеркально проводнику 24 и размещен на продольной оси корпуса 23 с другой стороны от его центра. Проводники 24 и 25 за счет распределенной связи на 1/4 длины волны образуют 3-дБ направленные ответвители. В центральной части корпуса размещены коаксиальные разъемы 26 и 27. Щели выполнены аналогично щелям 2 (см. фиг.1, 2), причем две центральные щели 2 одинаково удалены от соответствующих коаксиальных разъемов 26 и 27. Первые концы проводника 24 и 25 соответственно соединены с коаксиальными разъемами 26 и 27. Второй конец проводника 24 и 25 соответственно соединен с поглощающей нагрузкой. Коаксиальный разъем 26 является входом суммарного канала. Коаксиальный разъем 27 является входом разностного канала. Две крышки, две поглощающие нагрузки, две гайки, диэлектрик, герметик, рупор, герметизирующая заглушка выполнены аналогично щелям 2, крышке 4, поглощающей нагрузке 6, гайке 8, диэлектрику 9, герметику 10, рупору 11, герметизирующей заглушке 12 (фиг.1, 2).
Полосково-щелевая антенна (фиг.9) содержит корпус 28 со щелями (не показаны), проводники 29 и 30, две перемычки 31, коаксиальные разъемы 32 и 33, две крышки, две поглощающие нагрузки, две гайки, герметик, рупор, герметизирующую заглушку (не показаны). Корпус 28 выполнен из трубы прямоугольного сечения. Проводник 29 выполнен аналогично проводнику 15 или 19 (см. фиг.3-6) и размещен с одной стороны от центра корпуса 28. Проводник 30 выполнен зеркально проводнику 29 и размещен с другой стороны от центра корпуса 28. Щели выполнены аналогично щелям 18, или щелям 14, или щелям 22 (см. фиг.3-5). Проводники 29 и 30 соединены перемычками 31. Соединение проводников 29 и 30 с перемычками 31 образует мостовое устройство. В центральной части корпуса 28 размещены коаксиальные разъемы 32 и 33. Первый конец проводника 29 или 30 соединен с коаксиальным разъемом 32 или 33, второй конец центрального проводника 29 или 30 соединен с соответствующей поглощающей нагрузкой. Коаксиальный разъем 32 является входом суммарного канала, а коаксиальный разъем 33 является входом разностного канала. Две крышки, две поглощающие нагрузки, две гайки, герметик, рупор, герметизирующая заглушка выполнены аналогично щелям 2, крышке 4, поглощающей нагрузке 6, гайке 8, герметику 10, рупору 11, герметизирующей заглушке 12 (фиг.1, 2).
Полосково-щелевая антенна работает следующим образом.
При подаче СВЧ-сигнала на коаксиальный разъем 5 происходит возбуждение щелей 2 (или 14, или 18, или 22). Угол отклонения главного луча диаграммы направленности антенны определяется разносом излучающих элементов вдоль линии передачи и их шагом. Сектор сканирования максимальный, если отклонения луча вперед и назад одинаковы. Сектор сканирования антенны при заданном диапазоне изменения длины волны определен выбором конструктивных параметров антенны с учетом типа используемой линии передачи.
Двухканальная полосково-щелевая антенна работает следующим образом.
При подаче СВЧ-сигнала на частоте нормали на вход суммарного канала (коаксиальный разъем 26 или 32) формируется единая диаграмма направленности с одним максимумом, направленным перпендикулярно к продольной оси антенны.
При подаче СВЧ-сигнала на частоте нормали на вход разностного канала (коаксиальный разъем 27 или 33) на месте максимума формируется провал, глубина которого зависит от степени симметрии антенны. При этом в диаграмме направленности вместо одного максимума - два широких медленно спадающих максимума. Это имеет место, если частота сигнала совпадает с частотой нормали. При отклонении частоты от среднего значения максимум суммарной диаграммы направленности расширяется, уменьшаясь по величине. Деформируется и разностная диаграмма направленности. Это объясняется тем, что две части антенны сканируют навстречу друг другу.
Таким образом, полосково-щелевые антенны обеспечивают увеличение сектора сканирования, повышение точности определения угловых координат цели, улучшение амплитудно-фазовых характеристик, устранение случайных резонансов и, как следствие, улучшение параметров диаграммы направленности антенны и повышение КПД.