ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА С ОБТЕКАТЕЛЕМ

Полезная модель относится к области радиотехники, в частности, к антенной технике, и может быть использована в радиолокации, связи и других антенных системах, размещенных на летательных аппаратах.
Из уровня техники известна широкополосная всенаправленная антенна (Патент US №4970524, НКИ 343-752, 13.11.90), состоящая из несимметричной вибраторной антенны, питаемой источником радиочастоты, и структуры параллельных проводников, лежащих в одной плоскости и настроенных на разные частоты.
н
в
ср
н
в
ср
Известна сверхширокополосная приемопередающая антенна, содержащая коаксиальный вход, устройство согласования и излучатели электромагнитной энергии, (Патент RU №2205478, дата публикации 2003.05.27, МПК: H01Q 5/01). Три излучателя электромагнитной энергии выполнены в виде несимметричных вибраторов одинакового сечения с электрическими длинами волн 3λ/4, 3λ/4, 3λ/4 соответственно, где λ, λ, λ - длина волны низкой, высокой и средней частот излучения, причем самый длинный и самый короткий вибраторы соединены между собой короткозамыкателем с тем же сечением, что и вибраторы, при этом полоса согласования антенны определяется расстоянием от устройства согласования до короткозамыкателя, причем вибраторы формируют воронкообразную диаграмму направленности в плоскости вибраторов, а в ортогональной плоскости - ненаправленную диаграмму направленности.
Недостатком данного технического решения являются большие габариты (высота) антенны, недостаточно широкая полоса согласования, наличие элемента подстройки, что усложняет конструкцию антенны, а также пониженная механическая и электрическая прочность.
Известен обтекатель для размещения многозаходного антенного элемента (Патент на изобретение RU №2152673, опубликовано 2000.07.10, МПК: H01Q 11/08). Обтекатель, укрывающий многозаходный антенный элемент, выполнен из цилиндрической трубки, закрытой на одном конце и открытой на другом конце. Обтекатель содержит, по меньшей мере, две канавки на внутренней поверхности цилиндрической трубки для зацепления с ветвями многозаходного антенного элемента. Техническим результатом является уменьшение размеров антенны при сохранении требуемой характеристики усиления антенны.
Недостатком данного антенного обтекателя является узкая область применения, т.к. он может быть использован только для размещения многозаходного антенного элемента.
н
н
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой антенне является сверхширокополосная приемопередающая антенна (Патент на изобретение RU №2335834, опубликовано 10.10.2008 г., MПK: H01Q 5/01), формирующая воронкообразную диаграмму направленности в плоскости элемента электромагнитного излучения и ненаправленную диаграмму направленности - в ортогональной плоскости. Сверхширокополосная приемопередающая антенна содержит коаксиальный вход, экран и элемент электромагнитного излучения. При этом элемент электромагнитного излучения расположен в плоскости, перпендикулярной экрану, и выполнен в виде прямоугольной металлической пластины высотой 0,2λ, (где λ - длина волны нижней границы частотного диапазона) со скосами нижнего и верхнего оснований, параллельных плоскости экрана. Причем ширину полосы согласования обеспечивают оптимальным выбором углов скоса верхнего и нижнего оснований пластины.
К недостаткам данной антенны можно отнести ее недостаточную механическую прочность и надежность работы.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение электрической и механической прочности и надежности работы широкополосной антенны при одновременном обеспечении требуемых технических характеристик.
н
н
Технический результат достигается тем, что широкополосная антенна содержит коаксиальный вход, экран, элемент электромагнитного излучения, расположенный в плоскости, перпендикулярной экрану. Широкополосная антенна формирует воронкообразную диаграмму направленности в плоскости элемента электромагнитного излучения и ненаправленную диаграмму направленности - в ортогональной плоскости. При этом элемент электромагнитного излучения выполнен в виде прямоугольной металлической пластины высотой 0,2λ (где λ - длина волны нижней границы частотного диапазона) со скосами нижнего и верхнего оснований, параллельных плоскости экрана. Ширину полосы согласования обеспечивают оптимальным выбором углов скоса верхнего и нижнего оснований пластины. Антенный обтекатель для плоского излучателя содержит однослойную стенку из диэлектрического материала и узел крепления. При этом стенка обтекателя выполнена в виде замкнутого корпуса. На внутренней поверхности противоположных стенок корпуса размещены ребра жесткости, выполненные с возможностью установки и фиксации излучающего элемента внутри антенного обтекателя между торцами ребер жесткости. Узел крепления антенного обтекателя выполнен в виде основания с отверстиями по периметру.
Устройство и работа широкополосной антенны с обтекателем поясняются рисунками (Фиг.1-Фиг.7), где
Фиг.1 - общий вид широкополосной антенны с обтекателем;
Фиг.2 - вид сверху широкополосной антенны с обтекателем;
Фиг.3 - таблица показателей диэлектрических свойств полиамида;
н
н
Фиг.4 - диаграмма согласования широкополосной антенны в полосе частот f-4f;
н
Фиг.5 - диаграмма направленности широкополосной антенны в азимутальной и угломестной плоскостях на частоте f;
н
Фиг.6 - диаграмма направленности широкополосной антенны в азимутальной и угломестной плоскостях на частоте 2f,
н
Фиг.7 - диаграмма направленности широкополосной антенны в азимутальной и угломестной плоскостях на частоте 3f.
Широкополосная антенна с обтекателем (Фиг.1, 2) содержит коаксиальный вход 1, экран 2, элемент электромагнитного излучения 3 с элементом крепления 4, антенный обтекатель 5. При этом элемент электромагнитного излучения 3 расположен над экраном 2 в плоскости, перпендикулярной плоскости экрана 2. Коаксиальный вход 1 установлен с обратной стороны экрана 2. Элемент лектромагнитного излучения 3 выполнен в виде прямоугольной металлической пластины, нижнее 6 и верхнее 7 основания которой параллельны плоскости экрана 2 и выполнены со скосами. Причем нижнее основание 6 пластины элемента лектромагнитного излучения 3 в центральной части содержит элемент крепления 4, соединенный с коаксиальным входом 1, а также два скоса, симметричных относительно вертикальной оси, с углами α. При этом верхнее основание 7 пластины выполнено с углом скоса β. Элемент электромагнитного излучения 3 установлен и закреплен перпендикулярно плоскости экрана 2 вдоль его продольной оси с возможностью согласования в широкой полосе частот. Ширину полосы согласования обеспечивают оптимальным выбором углов скоса нижнего и верхнего оснований пластины. Антенный обтекатель 5 для плоского излучателя 3 состоит из однослойной стенки 8, образующей замкнутый корпус 9. Корпус 9 антенного обтекателя 5 может иметь различную форму, в зависимости от формы излучателя. На противоположных сторонах внутренней поверхности корпуса 9 выполнены ребра жесткости 10. При этом расстояние между противоположными выступами ребер жесткости 10 выбирают таким, чтобы обеспечить возможность установки и фиксации излучающего элемента 3 между их торцами внутри антенного обтекателя 5. Узел крепления антенного обтекателя выполнен в виде основания 11 со сквозными отверстиями 12 по периметру. Ребра жесткости 10 внутри антенного обтекателя 5 образованы чередующимися выступами 13 и впадинами 14. Наличие внутренних ребер жесткости 10 позволяет выполнить стенки 8 обтекателя более тонкими, что в целом уменьшает габариты антенны и в тоже время повышает механическую прочность самого антенного обтекателя 5. При этом ребра жесткости 10 одновременно являются элементом крепления для излучающего элемента 3, что обеспечивает дополнительную прочность его крепления. Данный антенный обтекатель 5 может быть изготовлен методом литья, за счет чего обеспечивается высокая повторяемость радиотехнических характеристик антенны.
Широкополосная антенна с обтекателем работает следующим образом. Питание широкополосной антенны с обтекателем осуществляют посредством коаксиального входа 1, соединенного с элементом крепления 4, находящимся в средней части нижнего основания 6 элемента электромагнитного излучения 3. Выполнение элемента электромагнитного излучения 3 в виде прямоугольной пластины определенной высоты со скосами нижнего и верхнего оснований, с оптимальным выбором углов скоса позволяет обеспечить необходимую ширину полосы согласования. При изменении частоты входного СВЧ сигнала пропорционально изменяется действующая поверхность излучающего элемента. Выбор угла согласования обеспечивает широкополосную компенсацию комплексного сопротивления излучателя до величины, равной волновому сопротивлению питающего фидера. Антенный обтекатель внутренней поверхностью устанавливают на внешней поверхности излучающего элемента 3 таким образом, чтобы излучающий элемент 3 антенны жестко фиксировался внутри антенного обтекателя 5 между выступами 13 ребер жесткости 10. После чего экран 2 широкополосной антенны с обтекателем при помощи крепежных элементов скрепляют с обтекателем 5 посредством отверстий 12 в основании 11. Антенный обтекатель 5 защищает излучающий элемент 3 антенны от повреждения в результате внешних воздействий, таких как вибрации или толчки в процессе эксплуатации антенны. При этом наличие ребер жесткости 10 исключает необходимость использования дополнительных уплотнительных прокладок между внутренней поверхностью обтекателя и поверхностью излучающего элемента 3.
н.
Примером конкретного исполнения может служить сверхширокополосная приемо-передающая антенна. Высокочастотный разъем, являющийся коаксиальным входом 1 сверхширокополосной приемопередающей антенны, установлен и закреплен с одной стороны экрана 2 в его центральной части. Экран 2 выполнен в виде металлической пластины овальной формы. С обратной стороны экрана 2 перпендикулярно его плоскости вдоль продольной оси установлен элемент электромагнитного излучения 3, соединенный с коаксиальным входом 1 и закрепленный при помощи элемента крепления 4, расположенного в его центральной части. Элемент электромагнитного излучения 3 выполнен в виде прямоугольной металлической пластины с верхним и нижним основаниями, параллельными плоскости экрана 2. При этом нижнее 6 основание пластины выполнено с двумя симметричными скосами относительно вертикальной оси с углами α=π/6, a верхнее основание 7 пластины выполнено с углом скоса β=π/6. Ширину полосы согласования обеспечивают оптимальным выбором углов скоса нижнего 6 и верхнего 7 оснований пластины элемента электромагнитного излучения 3, что подтверждается проведенными исследованиями. При этом высота пластины элемента электромагнитного излучения 3 равна 0,2λ. Излучающий элемент 3 антенны жестко устанавливают внутри антенного обтекателя 5 между выступами 13 ребер жесткости 10. После чего экран 2 с установленным и закрепленным на нем излучающим элементом 3 и антенный обтекатель 5 посредством отверстий 12 в основании 11 при помощи крепежных элементов скрепляют между собой и закрепляют на приспособлении, несущем антенну. Антенный обтекатель 5 защищает излучающий элемент 3 антенны от повреждения в результате внешних воздействий, таких как вибрации или толчки в процессе эксплуатации антенны. При этом наличие ребер жесткости 10 исключает необходимость использования дополнительных уплотнительных прокладок между внутренней поверхностью обтекателя и поверхностью излучающего элемента 3. В предлагаемой конструкции антенный обтекатель 5 для плоского излучателя 3 изготовлен из стеклонаполненного полиамида марки армамид ПА СВ 30-3М. При этом были проведены испытания на определение показателей «Диэлектрическая проницаемость» и «Тангенс угла диэлектрических потерь» по методикам ГОСТ 22372-77 и ГОСТ 6422.4-71 образцов армамида ПА СВ 30-3М в исходном состоянии и после термического воздействия при температурах (20±2)°С, (85±2)°С, (185±2)°С и частоте 1 ГГц.
Показатели диэлектрических свойств стеклонаполненного полиамида марки армамид ПА СВ 30-3М в процессе ускоренных термических испытаний на воздухе приведены в таблице (Фиг.3). Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь армамида в исходном состоянии при нагреве образцов увеличиваются, а после старения материала в течение десяти суток при температуре (185±2)°С - уменьшаются.
Наличие внутренних ребер жесткости 10 позволяет выполнить стенки 8 обтекателя 5 более тонкими, что в целом уменьшает габариты антенны и повышает механическую прочность обтекателя 5 и антенны в целом. При этом ребра жесткости 10 одновременно являются элементом крепления для излучающего элемента 3, что обеспечивает дополнительную прочность его крепления. Данный антенный обтекатель может быть изготовлен методом литья, за счет чего обеспечивается высокая повторяемость радиотехнических характеристик антенны.
н
н
н
На рисунке Фиг.4 представлены диаграммы согласования сверхширокополосной приемо-передающей антенны в полосе частот f-4f с различными пластинами элемента электромагнитного излучения 3. Диаграмма 1 отражает параметры антенны, излучатель которой выполнен в виде пластины со скошенным верхним основанием (угол β=π/6, углы α=0). Диаграмма 2 отражает параметры антенны, излучатель которой выполнен в виде пластины со скошенным нижним основанием (угол β=0, углы α=π/6). Диаграмма 3 отражает параметры антенны, излучатель которой выполнен в виде пластины со скошенными нижним и верхним основанием (угол β=π/6, углы α=π/6). Приведенные примеры позволяют сделать вывод о том, что значение коэффициента стоячей волны (КСВ) сверхширокополосной приемо-передающей антенны с элементом электромагнитного излучения в виде пластины, имеющей скосы как верхнего, так и нижнего оснований при одинаковой ширине пластины обеспечивает широкополосную компенсацию комплексного сопротивления излучателя до величины, равной волновому сопротивлению питающего фидера в полосе рабочих частот до четырех октав при практически отсутствующих потерях энергии в антенне. При этом высота элемента электромагнитного излучения 4 соответствует 0,2λ.
н
н
н
Сверхширокополосная приемо-передающая антенна формирует воронкообразную диаграмму направленности в плоскости элемента электромагнитного излучения и ненаправленную диаграмму направленности - в ортогональной плоскости, что подтверждают диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях в полосе частот f, 2f, 3f (Фиг.5, 6, 7).
н
н
н
Данные диаграммы направленности указывают на повторяемость их формы на частотах f, 2f, 3f. При этом отклонение формы диаграммы направленности от теоретических значений не превышает 1-1,2 дБ.
н.
Приведенные примеры позволяют сделать вывод о том, что значение коэффициента стоячей волны (КСВ) широкополосной приемопередающей антенны с обтекателем и элементом электромагнитного излучения в виде пластины, имеющей скосы как верхнего, так и нижнего оснований при одинаковой ширине пластины обеспечивает широкополосную компенсацию комплексного сопротивления излучателя до величины, равной волновому сопротивлению питающего фидера в полосе рабочих частот до четырех октав при практически отсутствующих потерях энергии в антенне. При этом высота элемента электромагнитного излучения 3 соответствует 0,2λ.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает создание широкополосной приемопередающей антенны, обладающей расширенной полосой пропускания (до четырех октав) и формирующей изотропную диаграмму направленности в плоскости элемента электромагнитного излучения и воронкообразную диаграмму направленности - в ортогональной плоскости. Кроме того, антенна обладает повышенной электрической прочностью, надежна, проста в изготовлении, не требует настройки, обеспечивает высокую повторяемость параметров и имеет малые массогабаритные показатели. Выполнение антенного обтекателя с внутренними ребрами жесткости позволяет повысить механическую прочность антенны и надежность крепления излучающего элемента при одновременном обеспечении требуемых радиотехнических характеристик.