Двухдиапазонный облучатель с комбинированным преобразователем мод
TWO-BAND IRRADIATOR WITH COMBINED MODAL CONVERTER

Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к антенной технике, и может быть использовано в системах спутниковой связи, а также в средствах радиомониторинга.
Одним из путей повышения пропускной способности систем связи и передачи информации, а также повышения эффективности средств мониторинга является применение земных и бортовых зеркальных антенн, одновременно работающих в двух частотных диапазонах с использованием ортогонально-поляризованных сигналов, как круговых, так и линейных составляющих.
В качестве первичных облучателей двухдиапазонных зеркальных антенн широкое применение находят разновидности гофрированных (ребристых) конических рупоров, которые в рабочих диапазонах частот имеют следующие характеристики:
амплитудные диаграммы направленности (АДН) с круговой симметрией;
низкий уровень боковых лепестков;
квазистационарный (мало зависящий от частоты) фазовый центр;
высокий уровень согласования с питающими волноводами.
Использование ортогонально-поляризованных сигналов диктует повышенные требования к поляризационной развязке приемных и передающих каналов двухдиапазонных антенных систем в рабочих диапазонах частот. Это предопределяет необходимость применения первичных облучателей с высокой поляризационной чистотой, показателем которой является уровень максимумов лепестков кросс-поляризационных АДН для 45-градусной плоскости в рабочих диапазонах частот. При этом, уровень кросс-поляризационных лепестков считается приемлемым, если он не превышает минус 30-35 дБ относительно максимума АДН на основной поляризации в каждом рабочем диапазоне частот.
С другой стороны, существуют потребности в одновременном приеме/передаче сигналов и осуществлении мониторинга сигналов в двух широко разнесенных частотных диапазонах с обеспечением требуемых кросс-поляризационных характеристик антенн. В этой связи необходимо создание двухдиапазонных первичных облучателей, обеспечивающих эффективное облучение зеркальных антенн в двух широко разнесенных рабочих диапазонах и имеющих высокую поляризационную чистоту. Решение этой задачи актуально при создании станций наземного сегмента систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в случае, когда для передачи сигналов управления и приема сигналов телеметрии в S-диапазоне (диапазоны частот от 2,0 до 2,12 ГГц и от 2,2 до 2,3 ГГц) и приема данных ДЗЗ в Х-диапазоне по двум ортогонально поляризованным каналам (диапазон частот в пределах полосы от 7,8 до 8,5 ГГц) необходимо использовать одну зеркальную антенну.
11
12
1n
12
Как известно [1 - P.J.B. Clarricoats, A.D. Olver, Corrugated Horns for Microwave Antennas, Peter Peregrinus Ltd, 1984], поляризационная чистота гофрированного облучателя зависит, во-первых, от удовлетворения балансному гибридно-модовому условию для моды НЕ в апертуре рупора, во-вторых, от степени минимизации уровня преобразования в моды ЕН и HE (n>1) вдоль всей длины рупора. При этом следует иметь в виду, что мода EH вносит основной вклад в кросс-поляризационные лепестки.
11
12
Балансное гибридно-модовое условие для моды НЕ и минимальный уровень преобразования в моду ЕН достигается тогда, когда проводимость на границе гофрированной поверхности рупора близка к нулю.
Для гофрированных конических рупоров с двумя разнесенными рабочими диапазонами частот близкая к нулю поверхностная проводимость в каждом диапазоне может быть достигнута, если гофрированная поверхность рупора будет образована чередующимися канавками различной глубины. При этом глубина канавок будет являться функцией разноса диапазонов частот.
Применение такой гофрированной поверхности в коническом рупоре соответствует наиболее простой оптимизации его электрических характеристик в двух рабочих диапазонах с их произвольным разносом, находящимся в пределах от 1:1,3 до 1:2 [2. A.D. Olver, P. Yang Kezhong and P.J.B. Clarricoats. Dual-depth corrugated horn design.]
Однако, реализуемый разнос рабочих диапазонов и относительные полосы рабочих частот каждого рабочего диапазона гофрированного конического рупора с канавками различной глубины зависит не только от параметров гофрированной поверхности, но и от реализации модового преобразователя, осуществляющего его возбуждение.
Недостатком такого рупора является узость диапазонов частот и недостаточный уровень развязки в нем.
11
12
Известен двухдиапазонный облучатель, описанный в [3 - S. Ghosh, N. Adatia, В.K. Watson. Hybrid-mode feed for multiband application having a dual-depth corrugation boundary. // Electronics Letters, September 1982, pp 860-862.,], который имеет два отдельных рабочих диапазона, от 12,1 до 12,5 ГГц и от 17,7 до 18,1 ГГц, разнесенные с отношением 1:1,45. Облучатель представляет собой профилированный рупор с регулярной гофрированной внутренней поверхностью, образованной канавками разной глубины. Для согласования рупора с питающим волноводом круглого сечения диаметром 20 мм рупор содержит модовый преобразователь. Выбранные параметры модового преобразователя и регулярной гофрированной поверхности (период и глубина соседних канавок, количество канавок на длину волны высокочастотного диапазона) обеспечивают выполнение балансного гибридно-модового условия для моды НЕ в обоих диапазонах частот и минимизацию моды ЕН, что подтверждается полученными характеристиками излучения облучателя на основной и кросс-поляризациях.
Недостатком этого двухдиапазонного рупора являются существенные потери и повышенный уровень кросс- поляризационного излучения в низкочастотном диапазоне.
Описанный в [4 - U.S. Patent №6720933 Б2. Dual band satellite communication antenna feed. April 13, 2004] двухдиапазонный облучатель антенны спутниковой связи обеспечивает передачу сигналов в Ка-диапазоне в полосе от 29,5 до 30 ГГц на одной линейной, вертикальной или горизонтальной поляризации и одновременно прием в Ки-диапазоне в полосе от 10,7 до 12,75 ГГц на обеих линейных поляризации, вертикальной и горизонтальной.
11
11
Этот облучатель состоит из гофрированного рупора и возбуждающего устройства, выполненного на основе коаксиального волновода с диафрагменным кольцевым фильтром, который имеет полый внутренний проводник с установленным диэлектрическим стержнем. Возбуждение коаксиального волновода, работающего в Ки-диапазоне, осуществляется модами Н посредством двух пар штырей, соединенных с 180-градусными гибридными соединениями, а возбуждения диэлектрического стержня - модой Н круглого волновода.
Недостатками этих двухдиапазонных облучателей являются узкая рабочая полоса частот высокочастотного диапазона, существенные потери и повышенный уровень кросс-поляризационного излучения в низкочастотном диапазоне, вызванные конструктивным исполнением системы возбуждения.
Известен, описанный в [5 - U.S. Patent №6005528. Dual band feed with integrated mode transducer, December 21, 1999] двухдиапазонный облучатель, имеющий рабочие диапазоны от 20,2 до 21,2 ГГц и от 43,5 до 45,5 ГГц, который взят за прототип.
11
11
11
11
11
11
Облучатель состоит из трех основных частей: конической секции с регулярной гофрированной поверхностью, совмещенного модового преобразователя и волноводной возбуждающей структуры. Рупор имеет гофрированную поверхность, образованную ступенчатыми канавками, а модовый преобразователь, примыкающий к рупору, имеет ступенчатые канавки с переменной глубиной внутренней части канавок. Волноводная возбуждающая структура образована двумя концентрическими круглыми волноводами и возбуждается модами Н коаксиального и круглого волноводов, соответственно, в низкочастотном и высокочастотном диапазонах. Выбранные параметры волноводной структуры, модового преобразователя и гофрированного рупора обеспечивают в высокочастотном диапазоне преобразование моды H круглого волновода в гибридную моду HE, а в низкочастотном диапазоне последовательное преобразование моды H коаксиального волновода в моду Н круглого волновода и далее в гибридную моду НЕ. В результате облучатель имеет приемлемые характеристики излучения на основной поляризации в обоих рабочих диапазонах с отношением средних частот 1:2,15 с относительными полосами ~5%, при этом имеет следующие недостатки:
- построение облучателя не обеспечивает совмещение частотных диапазонов с большим разносом средних частот;
11
- в нижнем частотном диапазоне из-за возбуждения рупора модой H коаксиального волновода облучатель имеет повышенные кросс-поляризационные лепестки.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание двухдиапазонного рупорного облучателя, обеспечивающего совмещение двух диапазонов частот и имеющего более высокие характеристики (ширина полос рабочих частот, уровень кросс-поляризационного излучения) по сравнению с аналогами.
Для решения этой задачи предлагается двухдиапазонный облучатель с комбинированным преобразователем мод, состоящий из: рупора (позиция 1 фиг. 1), модового преобразователя (позиция 2 фиг. 1) и возбуждающего устройства (позиция 3 фиг. 1).
0
0
0
1
2
M
1
2
Согласно изобретению, рупор состоит из конической секции с регулярной гофрированной поверхностью, образованной чередующимися канавками глубиной  и , где  и  длины волн в свободном пространстве, соответствующие центральным частотам нижнего и верхнего частотных диапазонов, и примыкающую к ней на диаметре  радиальной секции с гофрированной поверхностью, образованной чередующимися канавками с постоянной глубиной h и с переменной глубиной Н, изменяющейся от H до  с постоянным дискретом , где  - длина волны в свободном пространстве, соответствующая нижней частоте низкого диапазона, а Р - количество канавок глубиной Н, при этом ширина s и период чередования канавок w постоянны, а модовый преобразователь выполнен в виде гофрированной конической секции с углом расширения β равным 4°, которая имеет 2N+1 канавок различной конфигурации: N+1 канавок имеют ширину s, период чередования w и глубину h, а расположенные между ними N канавок с периодом чередования w имеют переменное ступенчатое сечение глубиной H+Н=Н, при этом отношение глубины внутренней ступеньки H к глубине внешней ступеньки Н постоянно и составляет 1:2, а ширина внутренней и внешней ступенек,  и , изменяется по законам:
n=1, 2.3 … N+1,.
, m=1, 2, 3 … М+1,
а
b
а
0
M
0
Возбуждающее устройство представляет собой волноводную структуру, включающую гофрированный волновод, состоящий из последовательно соединенных конической секции с углом расширения α равным 12° и цилиндрической секции диаметром равным , при этом коническая секция начинается с круглого волновода диаметром равным , который является портом высокого диапазона частот, и содержит на боковой поверхности диаметрально расположенные прямоугольные волноводы с фильтрами нижних частот, которые имеют широкую стенку  равную  и узкую стенку  равную 0,1, соединены с суммирующим устройствам, образующим порт низкого диапазона частот, и связаны с гофрированным волноводом продольными щелями длиной  равной  и шириной t равной , при этом диаметр гофрированного волновода на середине щелей  равен , а поверхность гофрированного волновода образована канавками шириной s, периодом чередования  и глубиной h, за исключением первых G канавок, считая от круглого волновода, глубина которых изменяется от h равной  до h с постоянным дискретом .
Таким образом, технический результат заключался в получении в двухдиапазонном облучателе с комбинированным преобразователем мод полосы частот с отношением центральных частот 1:Q (3,75≤Q≤4,65) и относительными полосами нижнего и верхнего диапазонов не менее  и  соответственно и характеристиками по уровням кросс-поляризационного излучения не более минус 30 дБ,
Достигнутые характеристики превосходят соответствующие характеристики аналогов:
- относительные полосы частот расширены более, чем в два раза от центральной частоты,
- уровню кросс-поляризационного излучения снижен не менее 10 дБ.
Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого изобретения из литературы не известны, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведено сечение двухдиапазонного облучателя с комбинированным преобразователем мод. На фиг. 2 приведена фотография образца двухдиапазонного облучателя. На фиг. 3 приведены результаты экспериментальных измерений КСВН и кросс-поляризационной развязки двухдиапазонного облучателя, изображенного на фиг. 2. На фиг. 4 приведена частотная развязка двухдиапазонного облучателя с комбинированным преобразователем мод, изображенного на фиг. 2. На фиг. 5 приведены амплитудные диаграммы направленности двухдиапазонного облучателя с комбинированным преобразователем мод, изображенного на фиг. 2.
Принцип работы двухдиапазонного облучателя с комбинированным преобразователем мод (фиг. 1) состоит в следующем.
Облучатель с комбинированным преобразователем мод состоит из рупора 1, модового преобразователя 2 и возбуждающего устройства 3 без суммирующего устройства низкого диапазона, прямоугольных волноводов 3.1, фильтров нижних частот (ФНЧ) 3.2, продольных щелей 3.3, гофрированного волновода 3.4 и круглого волновода 4.
10
11
0
11
12
11
Подводимая от устройства суммирования (деления) возбуждающего устройства 3 электромагнитная энергия низкого диапазона частот по двум прямоугольным волноводам 3.1 через ФНЧ 3.2, возбуждая продольные щели 3.3 возбуждающего устройства 3 модами H, преобразуется в моду Н круглого волновода 4, не возбуждая других мод, так как глубина канавок h достаточна мала , а диаметр гофрированного волновода 3.4 не превышает 0,8λ, которая, распространяясь в направлении раскрыва рупора 1, трансформируется гофрированной поверхностью модового преобразователя 2 с выбранными параметрами в гибридную моду НЕ, не допуская возникновения моды ЕН и других нежелательных мод высшего порядка. Далее распространение гибридной моды НЕ к раскрыву рупора 1 без трансформации в другие моды поддерживается благодаря выбранным параметрам гофрированной поверхностью рупора 1.
11
11
11
Подводимая к порту высокого диапазона частот возбуждающего устройства 3 в виде моды Н круглого волновода 4, распространяясь в гофрированном волноводе 3.4 преобразуется в гибридную моду HE. Далее распространение этой моды к раскрыву рупоpa 1 без трансформации в другие моды поддерживается благодаря выбранным параметрам гофрированных поверхностей модового преобразователя 2 и рупора 1. Продольные щели 3.3 в возбуждающем устройстве 3 ввиду их узости  не оказывают возмущающего действия на распространение моды НЕ, а наличие ФНЧ 3.2 препятствует отводу электромагнитной энергии через продольные щели 3.3.
11
Таким образом, раскрыв рупора 1 возбуждается гибридными модами НЕ, что обеспечивает получение осесимметричных амплитудных диаграмм направленности на основной поляризации при низком уровне кросс- поляризационных лепестков в обоих диапазонах частот.
Анализ известных технических решений (аналогов) в области реализации двухдиапазонных рупорных облучателей позволяет сделать вывод о том, что хотя использование гофрированных (ребристых) рупоров с разной глубиной соседних канавок известно, выполнение модового преобразователя 2 и возбуждающего устройства 3 в предложенных конфигурациях с учетом их взаимосвязи с рупором 1 позволяет реализовать широкий разнос рабочих диапазонов частот с обеспечением требуемого уровня поляризационной частоты в каждом диапазоне частот, что свидетельствует о получении положительного эффекта.
Таким образом, отличительными признаками, характеризующими данное устройство, являются параметры модового преобразователя 2 и возбуждающего устройства 3, в том числе конфигурация канавок, их количество и период следования.
На основе предложенного сочетания конструктивных признаков разработаны два варианта рупорных облучателей. Первый вариант для работы в диапазонах с центральными частотами ƒ и 3,9 ƒ и относительными полосами частот 14% и 8,6%, соответственно, реализован двухдиапазонный рупорный облучатель со следующими параметрами:
0
0
M
1
2
M
1
2
R
а
- диаметр раскрыва рупора - 113 мм, угол конуса - 52°, Н=34 мм, h=9,3 мм, s=3,9 мм, w=13 мм, D=180,0 мм, Н=37 мм, Р=8, N=12, Н=24,7 мм, H=12,3 мм, d=27,0 мм, =109 мм, b=10 мм, D=100 мм, =87,9 мм, =65 мм, t=3,25 мм, G=5, h=18,0 мм, Ψ=1,5, Ψ=0,5.
, n=1, 2.3 … N+1, N=12;
, m=1, 2, 3 … М+1, М=8.
На фиг. 2 приведена фотография образца двухдиапазонного облучателя с вышеприведенными параметрами, у которого возбуждающее устройство выполнено для обеспечения работы в каждом диапазоне частот на двух ортогональных линейных поляризациях. В низком диапазоне это реализуется за счет использования двух ортогонально расположенных пар щелей в гофрированном волноводе, нагруженных на фильтры нижних частот, выполненных в виде вафельных фильтров, которые соединены прямоугольными волноводами сечением 38,0×4,0 мм с суммирующим устройством на коническом волноводе с установленным по его выходу ортомодовым преобразователем, а высоком диапазоне - присоединением к круглому волноводу диаметром 8 мм ортомодового преобразователя.
На фиг. 3-5 приведены результаты экспериментального исследования образца двух-диапазонного рупора: на фиг. 3а и 3б приведены КСВН по выходам низкого и высокого диапазонов частот, на фиг. 3в и 3г - частотные зависимости уровня кросс- поляризационных лепестков для 45-градусной плоскости для низкого и верхнего диапазонов частот, а на фиг. 4 - частотная развязка между портами облучателя в верхнем диапазоне частот. На фиг. 5а и 5б приведены амплитудные диаграммы направленности на основной поляризации и кросс- поляризации для 45-градусной плоскости на средних частотах низкого и верхнего диапазонов частот.
Второй вариант рупорного облучателя предназначен для работы в диапазонах частот с отношением центральных частот 1:Q равным 4,6 и относительными полосами частот 16,06% и 10,5%, соответственно. Предлагается двухдиапазонный рупорный облучатель со следующими выбранными параметрами:
0
0
M
1
2
M
1
2
R
а
- диаметр раскрыва рупора - 160 мм, угол конуса - 52°, Н=12,2 мм, h=2,65 мм, s=1,5 мм, w=5 мм, D=70,0 мм, Н=13,8 мм, Р=8, N=12, Н=4,6 мм, Н=9,2 мм, d=8,0 мм, =38,0 мм, b=4,0 мм, D=36,0 мм, =30,2 мм, =22,7 мм, t=2,5 мм, С=5, h=5,0 мм, Ψ=1,5, Ψ=0,5.
, n=1, 2.3 … N+1. N=12;
, m=1, 2, 3 … М+1, М=8.
Приведенные данные подтверждают реализуемость предложенного двухдиапазонного облучателя с комбинированным преобразователем мод для двух его исполнений с заявленными отношениями центральных частот рабочих диапазонов и их относительных полос.
Отличительные признаки, характеризующие предложенный двухдиапазонный облучатель с комбинированным преобразователем мод использованы в разработках ФГУП «РНИИРС» ФНПЦ.