АНТЕННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель предназначена для построения одномерных и двумерных многоэлементных активных фазированных антенных решеток (АФАР) с углом сканирования до 50° в любом из выбранных направлений для двух произвольных ортогональных поляризаций.
Уровень техники
Известен волноводно-стержневой антенный элемент для фазированных антенных решеток (ФАР) и активных фазированных антенных решеток (АФАР) (патент RU 106040 U1 опубл. 27.06.2011), который состоит из диэлектрического стержня, n-ступенчатого волновода и диэлектрической вставки. Излучатель АФАР представляет собой короткозамкнутый волновод, возбуждаемый коаксиально-волноводным переходом (КВП).
Недостатком данного устройства является узкая полоса пропускания, не превышающая 10%. Причиной тому служит способ возбуждения волновода. Полоса пропускания - объединяет в себе полосу согласования и полосу сохранения вида диаграммы направленности (ДН). Не смотря на то, что теоретически возможно создать излучатель с КВП, где полоса согласования несколько превышает 10%, нельзя получить при этом сохранения вида ДН с необходимыми заданными параметрами. Так как в известном техническом решении излучатель возбуждается металлическим штырем, являющимся продолжением центральной жилы коаксиального кабеля, то ДН во взаимоортогональных плоскостях каждой поляризации не может совпадать по ширине, причем это отличие в широкой полосе часот составляет более 25%. Кроме того, использование такого КВП нетехнологично с точки зрения массового производства в размерах тысяч и десятков тясяч излучающих элементов.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом предложенного решения является увеличение ширины пропускания АФАР.
Основной технический результат достигается тем, что в антенном излучателе, выполненном в металлическом корпусе, содержащем волновод и диэлектрическую вставку, согласно предложенному решению, круглый волновод регулярно заполнен внутренней диэлектрической вставкой до поверхности короткозамыкания (КЗ), а открытый конец волновода имеет переход в свободное пространство через внешнюю диэлектрическую вставку цилиндрической формы с продольными размерами порядка четверти длины волны, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона, при этом между внутренней диэлектрической вставкой до поверхности КЗ и внешней диэлектрической вставкой расположена четырехслойная микрополосковая плата, на внутренней поверхности которой расположены квадратный патч размером порядка четверти длины волны, соответствующей центральной частоте рабочего диапазона с учетом относительной диэлектрической проницаемости подложки микрополосковой платы, и возбуждающие квадратный патч симметрирующие переходы с симметричными микрополосковыми линиями, причем симметрирующие переходы выполнены в виде треугольников с усеченной вершиной.
Использование диэлектрического заполнения волновода позволяет уменьшить его диаметр, что дает возможность установить шаг между излучателями АФАР менее полдлины волны верхней частотной точки рабочего диапазона. Выполнение данного условия строго обязательно для сохранения параметров ДН АФАР при сканировании лучом в любом направлении. Например, один из важнейших показателей - это отсутствие дифракционных лепестков.
Внешняя диэлектрическая вставка играет роль ступенчатого перехода для согласования волновых сопротивлений волновода и свободного пространства, что обеспечивает нужный уровень согласования по входу отдельных излучателей АФАР с полосой в десятки процентов.
Внутренняя диэлектрическая вставка КЗ необходима для регулирования частотного положения всей полосы согласования АФАР, при этом можно изменять крутизну кривой коэффициента отражения с каждой стороны, добиваясь наиболее широкой полосы согласования. С физической точки зрения, для достижения такого результата нужно синфазно сложить прямую и отраженную от поверхности КЗ волны.
Выполнение симметрирующих переходов в виде треугольников с усеченной вершиной и выбор расстояния между ней и ортогональной ей кромкой патча позволяет регулировать электрическую связь, что влияет на частотные свойства импедансных характеристик ВДА, позволяя расширить полосу согласования до 30%.
Комбинация внешней диэлектрической вставки и микрополосковой платы, возбуждающей основной тип волны в заполненном волноводе позволяет, при правильном подборе геометрических размеров, получить определенное фазовое распределение вдоль плоскостей параллельных плоскостям поляризаций ВДА, что определяет ширину ДН отдельного излучателя АФАР более 100° в любой выбранной плоскости на любой из поляризаций. Выполнение данного условия строго обязательно для сохранения параметров ДН АФАР при сканировании лучом в любом направлении. Например, один из важнейших показателей - это уровень и скорость снижения коэффициента усиления АФАР при сканировании лучом, особенно для полосы пропускания в десятки процентов и углы отклонения более 30-40°.
Краткое описание чертежей
Предложенное решение поясняется рисунками.
На фиг.1 представлен общий вид излучателя, на фиг.2 - вид излучателя в продольном срезе, на фиг.3 - микрополосковая система возбуждения.
Осуществление полезной модели
Антенный излучатель представляет собой волноводно-диэлектрическую антенну, в металлическом корпусе 1 которого расположен круглый волновод 2, однородно и полностью по всему своему сечению и длине заполненный внутренней диэлектрической вставкой 3 до поверхности короткозамыкания (КЗ). Открытый конец круглого волновода 2 имеет переход в свободное пространство через внешнюю цилиндрическую диэлектрическую вставку 4. Между внутренней диэлектрической вставкой 3 короткого замыкания и внешней диэлектрической вставкой 4 расположена четырехслойная микрополосковая печатная плата 5. На внутреннем слое печатной платы 5 расположен квадратный патч 6 размером порядка четверти длины волны центра рабочего диапазона с учетом диэлектрической проницаемости подложки печатной платы 5, и возбуждающие квадратный патч 6 симметрирующие переходы 7 с симметричными микрополосковыми линиями 8. Для соединения микрополосковой структуры внутреннего слоя печатной платы 5 с внешним слоем выполнен межслойный переход 9, где проходит короткая несимметричная микрополосковая 50-омная линия 10.
Устройство работает следующим образом.
Возбуждение волноводно-диэлектрической антенны осуществляется с помощью широкополосной микрополосковой системы питания, представляющей собой четырехслойную печатную плату 5. Для получения Е или Н линейной поляризации излученного поля возбуждают две соответствующие сонаправленные кромки квадратного патча 6 через симметрирующие переходы 6. Связь между квадратным патчем 6 и симметрирующими переходами 7 имеет емкостной характер. Для осуществления возбуждения ВДА с помощью СВЧ разъема сделан межслойный переход 9 с внутреннего слоя печатной платы 5 на внешний слой, где проходит короткая несимметричная микрополосковая 50-омная линия 10.
Как видим, заявленное техническое решение способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
В настоящее время изготовлены опытные образцы заявленной полезной модели, и т.о. подтверждена реальная возможность ее осуществления с помощью описанных средств и методов с обеспечением технического результата.
Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость».
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах, позволяет утверждать, что заявляемое решение соответствует требованию «новизна».
Следует заметить, что преимущество полезной модели перед близким аналогом (прототипом) обеспечивается представленной совокупностью существенных признаков, каждый из которых выполняет свою функцию, а вместе, во взаимосвязи, они решают задачу создания нового устройства, отвечающей современным конструктивным, технологическим требованиям.