ВОЛНОВОДНАЯ АНТЕННА С НАКЛОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ И СЕКТОРНОЙ ДИАГРАММОЙ ШИРИНОЙ 180°

Предлагаемая волноводная антенна с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180° относится к области антенной техники и может быть использована для приема линейно и эллиптически поляризованных электромагнитных волн, используется в системах радиотехнического наблюдения и контроля электромагнитного излучения в широком секторе углов.
В качестве антенн с широкой диаграммой удобно использовать биконические (на сектор 360° с вертикальной поляризацией) [Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов связи. - М., «Связь». - 1977. - 440 с.] или волноводные антенны (на сектор 180° с вертикальной поляризацией) [Устройство обнаружения вторжения и антенна к нему. Патент США, кл. 340/552 (G08B 13/24), №4119951 от 10.10.78 г.].
Известны антенны [Рудольф Кюн. Микроволновые антенны. Перевод с нем. под ред. проф. М.П. Долуханова, стр. 227-228, рис. 5.23 и 239-240, рис. 5.31 а), в). Изд-во Судостроение, 1967 г.], на основе квадратного волновода с диэлектрическим излучателем. Антенна на основе квадратного волновода может использоваться как антенна двойной, так и наклонной поляризации. Для режима двух переключаемых поляризаций (вертикальной и горизонтальной) используется поляризационный делитель, а для наклонной - переход с квадратного сечения на прямоугольное, развернутое вокруг продольной оси на угол 45° к плоскости горизонта.
Недостатком таких антенн является сложность и дороговизна изготовления. При применении антенн с переходом с квадратного сечения на прямоугольное, наклоненное на угол 45° по отношению к стенкам квадратного волновода в широком диапазоне частот ширина диаграммы направленности может уменьшаться до 50°.
В качестве прототипа, как наиболее близкого по схемотехническому построению заявляемой полезной модели, выбрана антенна по патенту США №4119951, которая выполнена в виде открытого конца отрезка регулярного волновода прямоугольного сечения с фланцем крепления к прибору, конец волновода обрезан с боковых сторон под углом 45° от узкой стенки к центру широкой стенки, где расположена рассеивающая пластина длиной около четверти длины волны, электрически соединенная с широкими стенками волновода. Антенна расположена горизонтально широкой стенкой волновода, поэтому она формирует секторную диаграмму шириной 180° в диапазоне частот с перекрытием 1,5:1 на уровне минус 10 дБ в горизонтальной плоскости только на вертикальной поляризации.
Указанные антенны в неизменном виде не могут формировать широкие секторные диаграммы на требуемых видах поляризации в азимутальной плоскости при приеме эллиптически, горизонтально и вертикально поляризованных волн.
макс
мин
макс
мин
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является построение волноводной антенны с шириной секторной диаграммы в азимутальной плоскости не менее 180°, а в угломестной плоскости не менее 50° в диапазоне частот с отношением, f/f≥1,5, где f, f - максимальная и минимальная рабочие частоты СВЧ колебаний, при приеме эллиптически, горизонтально и вертикально поляризованных волн с высокими прочностными характеристиками.
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
Технический результат достигается тем, что в волноводной антенне с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180°, содержащей регулярный отрезок волновода прямоугольного сечения размерами a×b, развернутый вокруг продольной оси на угол 45° к плоскости горизонта с фланцами крепления к прибору и к линии передачи, на конце открытого конца волновода на фланец крепления волноводной антенны к прибору установлен диэлектрический излучатель, выполненный из диэлектрического материала с малыми потерями, длиной А=2,29 λ, шириной В=1,04 λ, высотой С=0,75 λ, высотой диэлектрического излучателя в центральной части D=0,35 λ глубиной диэлектрического излучателя l=0,87 λ в волноводе, расстоянием между выступами с=0,43 λ, длиной узкой части выступа d=0,52 λ, шириной выступа h=0,62 λ, на краях выступы скошены на расстоянии s=0,09 λ под углом 45°. Излучатель снабжен двумя элементами крепления излучателя в виде металлических шпилек диаметром m=0,13 λ, расположенных на оси раскрыва излучателя на расстоянии k=0,78 λ от центра.
Существенные признаки, отличающие заявленную волноводную антенну с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180° от прототипа, не поддаются самостоятельной квалификации, так как не отделяемы от целого объекта. Взаимное положение и размеры всех элементов, входящих в излучатель, рассчитаны и окончательно определены экспериментально и позволяют построить волноводную антенну с наклонной поляризацией, у которой в широком диапазоне частот ширина секторной диаграммы имеет значение не менее 180° при приеме эллиптически, горизонтально и вертикально поляризованных волн. В угломестной плоскости ширина диаграммы направленности не претерпевает изменений и имеет значение не менее 50°. Измеренное значение КСВН не более 2,5.
н
cp
в
Сущность полезной модели поясняется рисунком, на Фиг. 1 которого приведен чертеж предлагаемой волноводной антенны с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180°, а на Фиг. 2 и Фиг. 3 приведены экспериментальные нормированные диаграммы по мощности в секторе азимутальных углов на нижней (f), средней (f) и верхней (f) частотах рабочего диапазона частот на вертикальной (Фиг. 2) и горизонтальной (Фиг. 3) поляризациях.
Чертеж предлагаемой волноводной антенны с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180° на Фиг. 1 содержит: 1 - диэлектрический излучатель; 2 - фланец крепления волноводной антенны к прибору; 3 - фланец крепления волноводной антенны к линии передачи; 4 - стандартный волновод прямоугольного сечения, развернутый вокруг продольной оси на угол 45°; 5 - металлические шпильки крепления диэлектрического излучателя к фланцу крепления волноводной антенны к прибору.
Диэлектрический излучатель 1 имеет сложную форму, выполнен из диэлектрического материала с малыми потерями (например, из фторопласта ФАФ-4Д) длиной, равной А, шириной, равной В, высотой, равной С, высотой в центре, равной D, расстояние между выступами равно с, длина узкой части выступа равна d, ширина выступа равна h, на краях выступы скошены под углом 45° на расстоянии, равном s. Диэлектрический излучатель продолжен в стандартный волновод прямоугольного сечения 4 на глубину, равную l, и сужается в виде клина.
Фланец крепления волноводной антенны к прибору 2 и фланец крепления волноводной антенны к линии передачи 3 - металлические и крепятся на концах стандартного волновода прямоугольного сечения, развернутого вокруг продольной оси на угол 45° к плоскости горизонта 4 методом пайки.
Стандартный волновод прямоугольного сечения, развернутый вокруг продольной оси на угол 45° к плоскости горизонта 4 выполнен пустотелым, гладким, с сечением a×b, изготавливается из металла (например, из латуни).
Диэлектрический излучатель 1 крепится к фланцу крепления волноводной антенны к прибору 2 клеем, наносимым на поверхность фланца в месте соединения его с диэлектрическим излучателем, а также, для повышения надежности крепления, металлическими шпильками 5 диаметром m, расположенными на оси раскрыва излучателя на расстоянии k от центра.
10
Волноводная антенна с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180° в режиме приема работает следующим образом: СВЧ сигнал возбуждает в волноводе 4, волну типа H. Поскольку волновод развернут вокруг продольной оси на угол 45° к плоскости горизонта, то обеспечивается прием эллиптически, горизонтально и вертикально поляризованных волн. За счет диэлектрического излучателя специальной формы, расширяющего диаграмму, осуществляется обзор пространства в секторе 180° в азимутальной плоскости.
Экспериментально исследован макет заявляемого устройства с пересчетом заявленных размеров в длинах волн в геометрические размеры: А=26,4 мм, В=12 мм, С=8,7 мм, D=4 мм, l=10 мм, с=5 мм, d=6 мм, h=7,2 мм, s=1 мм, m=1,5 мм, k=9 мм. Размеры сечения прямоугольного волновода равны (а×b=7,2×3,4) мм. На Фиг. 2 и Фиг. 3 приведены экспериментальные нормированные диаграммы по мощности в секторе азимутальных углов на трех частотах рабочего диапазона на вертикальной и горизонтальной поляризациях, соответственно, из которых видно, что наряду с вертикальной поляризацией сигналов обеспечивается прием горизонтально поляризованных сигналов.
макс
мин
В диапазоне частот f/f≥1,5 волноводная антенна имела ширину секторной диаграммы не менее 180° на уровне не ниже минус 7,5 дБ в азимутальной плоскости при приеме горизонтально и вертикально поляризованных волн. Измеренное значение КСВН не более 2,5.
Антенна по патенту США, обеспечивает прием сигналов только вертикальной поляризации с ослаблением на краях сектора 180° на 10 дБ.
Заявляемая модель является полезной и используется в разработках ОАО «ТНИИС».
Заявляемая волноводная антенна с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180° конструктивно проста. В нее входят широко применяемые материалы, и она может быть изготовлена на любом среднетехническом предприятии. По сравнению с прототипом предлагаемая волноводная антенна с наклонной поляризацией и секторной диаграммой шириной 180° имеет улучшенные технические и экономические показатели:
- обеспечивает прием сигналов эллиптически, горизонтально и вертикально поляризованных волн с меньшим ослаблением;
- простую конструкцию, меньшие габариты;
- более низкую цену.