Диэлектрический стержневой излучатель
DIELECTRIC BEAM EMITTER

Изобретение относится к антенной технике миллиметрового диапазона длин волн и может быть использовано в зондирующих устройствах радиоинтерферометров для измерения кинематических параметров движения поверхностей в диагностируемых замкнутых объемах, а также в качестве облучателей длиннофокусных зеркальных антенн.
В указанных применениях излучатель должен формировать осесимметричную диаграмму направленности (ДН), обеспечивать надлежащие амплитудное и фазовое распределения поля излучения в пределах требуемого участка движущейся поверхности в диагностируемом замкнутом объеме или в пределах угла раскрыва зеркальной антенны, обеспечивать минимальный уровень боковых лепестков (УБЛ).
Для широкого круга указанных применений необходимы излучатели с шириной ДН по уровню 0,5 менее 30°, УБЛ не более минус 15 дБ.
В то же время для устройств ввода зондирующего излучения в диагностируемый замкнутый объем предъявляются требования минимально возможного диаметра отверстия в металлической стенке объема - не более диаметра подводящего волновода и, соответственно, минимального объема металлической части излучателя в диагностируемом замкнутом объеме для минимизации влияния паразитных переотражений, а для зеркальных антенн - требование минимального затенения поверхности зеркала.
Для обеспечения предъявленных требований могут быть использованы излучатели продольного излучения - диэлектрические стержневые излучатели постоянного сечения или с коническим заострением.
11
Излучение диэлектрического стержневого излучателя формируется возбуждаемой в стержне волной НЕ, распределение поля которой на торце стержня обеспечивает излучение с осесимметричной ДН.
11
Известно, что в отличие от рупорных излучателей, ширина ДН у которых определяется геометрическими размерами в раскрыве рупора, апертура диэлектрических стержневых излучателей превышает сечение стержня и определяется поперечным сечением распределения потока мощности волны НЕ со спадом поля на границе сечения на 15..20 дБ. Это пространственное сечение поля возрастает с уменьшением сечения стержня, что приводит к сужению ДН [Кюн Р. Микроволновые антенны. Изд-во «Судостроение», 1967 г.] и может обеспечивать требуемую ширину ДН.
11
11
11
11
Возбуждение волны HE в диэлектрическом стержневом излучателе в миллиметровом диапазоне обеспечивается металлическим волноводом круглого сечения с волной Н в одноволновом режиме [Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М., "Энергия", 1975 г., 528 с.]. Такая конструкция излучателя в максимальной степени соответствует предъявленным требованиям минимального поперечного сечения излучателя и минимального объема металлической части излучателя в рабочей зоне указанных выше применений. Однако, из-за недостаточной согласованности полей волн Н и НЕ на торце возбуждающего металлического волновода имеет место паразитное излучение, обусловленное указанной нерегулярностью, приводящее к значительному росту УБЛ до уровня минус 10 дБ и выше.
Ситуация еще более ухудшается при применении диэлектрических стержней с диаметром сечения меньше диаметра возбуждающего металлического волновода для обеспечения узконаправленного излучения.
Известны диэлектрические стержневые излучатели, возбуждаемые металлическим волноводом круглого сечения с рупорным расширением [Орехов Ю.И., Рябов Б.И. Излучатель круговой поляризации. Авт. св-во СССР №453994, H01Q 15/22, 1974 г.], улучшающим согласование полей в возбуждающем устройстве излучателя. Однако, в этом случае не обеспечивается минимальный объем металлической части излучателей для применения в диагностируемых замкнутых объемах и минимальное затенение поверхности зеркала в зеркальных антеннах.
Известен возбудитель антенн поверхностных волн, в котором задача согласования полей диэлектрического стержня и металлического волновода на его торце решается нанесением полупроводниковой пленки с переменным поверхностным сопротивлением на некотором участке стержня от стыка с металлическим волноводом [Будагян И.Ф., Дубровин В.Ф., Мировицкий Д.И. Возбудитель антенн поверхностных волн. Авт. св-во СССР №282449, H01Q 13/24, 1973 г.], однако такие возбудители технологически очень сложны и не могут быть применены при сечении диэлектрического стержня меньше сечения металлического волновода.
За прототип выбрана диэлектрическая антенна [Юрцев О.А., Казарин Б.А., Бахрак Л.Д. и др. Диэлектрическая антенна. Авт. св-во СССР №1374311, H01Q 13/24, 1988 г.], содержащая металлический волновод круглого сечения с фланцем, в открытом конце которого соосно расположен диэлектрический стержень со скачкообразным уменьшением диаметра в плоскости фланца, меньшим чем диаметр металлического волновода. Диэлектрический стержень имеет диэлектрическую насадку для расширения ДН. Без насадки указанная антенна с диаметром стержня меньше, чем диаметр металлического волновода, и длиной стержня, равной (5-6) длин волн, может обеспечивать узконаправленное излучение.
11
11
11
11
Согласование поля Н на торце металлического волновода и поля HE, возбуждаемого в диэлектрическом стержне, в указанном излучателе обеспечивается благодаря реализации на фланце волновода импедансной структуры в виде концентрических канавок, в которых поле Н трансформируется в поле HE, соответствующее полю в диэлектрическом стержне уменьшенного диаметра.
Однако, выполнение фланца с концентрическими канавками в миллиметровом диапазоне чрезвычайно затруднено и требует диаметра отверстия в стенке диагностируемого замкнутого объема или в зеркале антенны, равного диаметру фланца, что не всегда допустимо.
Техническим результатом предложенного изобретения является улучшение характеристик стержневого излучателя и расширение области его применения, а именно возможность формирования диэлектрическим стержневым излучателем узконаправленного излучения с равной шириной ДН в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с допустимым уровнем боковых лепестков и поперечным сечением излучателя, не превышающим сечение возбуждающего металлического волновода, при простоте конструкции.
Технический результат достигается тем, что в диэлектрическом стержневом излучателе, содержащем одноволновый металлический волновод круглого сечения и соосно расположенную в нем диэлектрическую вставку с диэлектрической проницаемостью материала 8 от 2,1 до 2,6, часть которой в форме стержня заполняет участок металлического волновода, а часть выступает за торец металлического волновода на длину (5-6)λ, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона, выступающая за торец металлического волновода часть диэлектрической вставки выполнена в виде усеченного конуса, переходящего в стержень постоянного сечения, и состыкована с торцем металлического волновода большим основанием усеченного конуса, диаметр D которого превышает диаметр металлического волновода и определен из соотношения
длина части вставки в виде усеченного конуса выбрана из соотношения L=(1,5-2)λ, а малое основание усеченного конуса имеет диаметр, равный диаметру диэлектрического стержня постоянного сечения, который в два раза меньше внутреннего диаметра металлического волновода.
Кроме того, выступающая за торец металлического волновода часть диэлектрической вставки излучателя может быть состыкована с торцем металлического волновода, расположенным в отверстии зеркальной антенны или металлической стенки диагностируемого объема вогнутой или выпуклой формы, таким образом, что стенка диагностируемого объема состыкована с большим основанием усеченного конуса.
Кроме того, выступающая за торец металлического волновода излучателя часть диэлектрической вставки может быть состыкована с торцем металлического волновода посредством металлического фланца на его торце.
На фигуре 1 представлен предлагаемый излучатель в различных вариантах стыковки с поверхностью зондируемого объема или зеркальной антенны, поясняющий сущность изобретения.
1
На фигуре 1а представлен диэлектрический стержневой излучатель, состоящий из металлического волновода круглого сечения 1 с торцем 2, в открытом конце которого соосно расположена диэлектрическая стержневая вставка, часть которой 3 заполняет металлический волновод 1 и выполнена с диаметром D равным внутреннему диаметру металлического волновода 1.
Часть выступающей за торец 2 диэлектрической вставки длиной L=(1,5-2)λ, выполнена в виде усеченного конуса 4, переходящего в стержень постоянного сечения 5. Вставка стыкуется с торцем 2 металлического волновода большим основанием усеченного конуса 4, который выполнен с диаметром D, превышающим диаметр металлического волновода и определяемым из соотношения
2
1
1
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала стержня, которая должна быть в пределах от 2,1 до 2,6. Малое основание усеченного конуса имеет диаметр, равный диаметру D части 5 диэлектрического стержня постоянного сечения, которое в два раза меньше внутреннего диаметра D металлического волновода. Общая длина L выступающих за фланец 2 частей 4 и 5 диэлектрического стержня составляет (5-6)λ.
На фигуре 16 показан диэлектрический стержневой излучатель, у которого выступающая за торец 2 металлического волновода 1 часть диэлектрической вставки состыкована с торцем 2 металлического волновода 1, расположенного в отверстии зеркальной антенны или металлической вогнутой стенки 6 диагностируемого объема, а на фигуре 1в - в отверстии металлической выпуклой стенки 7 диагностируемого объема, таким образом, что стенка зеркальной антенны или диагностируемого объема 6 или 7 состыкована с большим основанием усеченного конуса 4.
Монтаж диэлектрического стержня в металлический волновод 1 осуществляется после монтажа волновода 1 в заданную поверхность 6 или 7.
На фигуре 1г показан диэлектрический стержневой излучатель, в котором выступающая за торец 2 металлического волновода 1 часть диэлектрической вставки состыкована с торцем 2 металлического волновода 1 посредством металлического фланца 8 на его торце.
На фигуре 2 представлены экспериментальные ДН предлагаемого диэлектрического стержневого излучателя, выполненного в соответствии с фигурой 1а.
Диэлектрический стержневой излучатель работает следующим образом.
11
11
1
11
Электромагнитная волна Н в круглом металлическом волноводе 1 возбуждает во внешней части диэлектрического стержня поверхностную волну HE, которая при выбранной длине стержня L равной (5-6)λ, имеет практически невозмущенный характер на торце стержня. Эффективность возбуждения волны HE возрастает при превышении диаметра большего основания усеченного конуса относительно диаметра металлического волновода на стыке с его торцем.
эф
11
Ширина основного лепестка ДН излучения определяется поперечным пространственным сечением с эффективным диаметром D потока мощности волны HE по уровню минус (15..20) дБ, который превышает диаметр стержня и увеличивается при его уменьшении.
2
2
эф
2
При диэлектрической проницаемости материала стержня ε≤3,2 и при отношении диаметра D стержня 5 к длине волны D/λ≈0,3-0,4 диаметр D примерно в 10 раз превышает диаметр Dдиэлектрического стержня на участке части стержня 5 [Взятышев В.Ф. Диэлектрические волноводы. Изд-во «Сов. радио», М., 1970 г.]. В этом случае, как показали эксперименты, ширина ДН по уровню 0,5 составляет не более 30°.
1
1
2
Для обеспечения этого условия и учитывая, что для металлического волновода 1 диаметр D выбирается из соотношения D/λ≈0,7-0,8, целесообразно диаметр D части стержня 5 выбирать равным половине диаметра металлического волновода 1.
11
11
УБЛ диэлектрического стержневого излучателя зависит от согласования полей Н в металлическом волноводе и HE в диэлектрическом стержне на торце металлического волновода.
эф
11
11
При диаметре стержня D на торце металлического волновода вдвое меньше диаметра металлического волновода эффективный диаметр D распределения поля НЕ примерно в 5 раз превышает диаметр поля Н, ограниченный сечением металлического волновода. Это рассогласование полей приводит к неприемлемому росту УБЛ.
Дальнейшее увеличение диаметра стержня D на торце металлического волновода, превышающее его диаметр, но не более диаметра стержня, при котором возможно возбуждение высших типов волн, приводит к снижению УБЛ до уровня минус 15 дБ.
Для обеспечения этого условия диаметр D сечения стержня, примыкающего к торцу металлического волновода, необходимо определять из соотношения
2
2
Переход от этого диаметра к диаметру D части стержня 5, формирующего требуемое излучение, осуществляется благодаря выполнению части стержня в виде усеченного конуса 4 с диаметром большего основания, равным D, меньшим основанием диаметром D и длиной L=(1,5-2)λ.
В этом случае усеченный конус представляет собой слабую нерегулярность, излучение с которой практически не влияет на ширину ДН и УБЛ.
1
2
1
Промоделирован и экспериментально исследован диэлектрический стержневой излучатель со следующими параметрами: длина волны λ=3,2 мм; материал диэлектрического стержня - полистирол (ε=2,5); диаметр металлического волновода D=2 мм; диаметр большего основания усеченного конуса D=3 мм; длина усеченного конуса L=5 мм; диаметр части 5 стержня D=1 мм; общая длина стержня L=19 мм.
Расчетные ДН излучателя согласно фиг. 1а приведены на фиг. 2. Ширина ДН по уровню 0,5 равна 25°, УБЛ не хуже минус 15 дБ. Экспериментальные результаты практически совпали с расчетными.
Характеристики излучения предложенного диэлектрического стержневого излучателя практически не изменились при монтаже излучателя в вариантах металлических поверхностей 6 и 7, согласно фигурам 1б и 1в, и при выполнении торца металлического волновода с фланцем 8, согласно фигуре 1г.