РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК С КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ
HORN RADIATOR FOR ANTENNA ARRAYS WITH CIRCULAR POLARIZATION

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в антенных решетках (АР) с фидерной разводкой сигналов и поперечными размерами излучателей более одной длины волны, для систем спутниковой связи и радиолокации, работающих на волнах круговой поляризации.
Известен рупорный излучатель, содержащий отрезок волновода и конический рупор, в котором в качестве элемента, преобразующего волны линейной поляризации в волны круговой поляризации, используется диэлектрическая пластина, расположенная в коническом рупоре (см. заявку JPS 2002-118401, опубл. 19.03.2002).
Подобный рупорный излучатель принят в качестве ближайшего аналога заявленного излучателя.
Недостатком данного рупорного излучателя является низкий уровень коэффициента использования поверхности (КИП) в составе АР, и, как следствие, низкий коэффициент усиления (КУ) излучателя и АР в целом.
Задачей заявленного изобретения является создание рупорного излучателя волн круговой поляризации с высоким КИП в составе АР, при сохранении поперечного размера рупора и малого продольного размера рупорного излучателя.
В результате достигается технический результат, состоящий в достижении уровня КИП рупорного излучателя более 0.80 и излучения волн круговой поляризации с низким уровнем кроссполяризации (-25 дБ и менее), при сохранении малого продольного размера излучателя, не превышающего 2-4 минимальной длинны волны рабочего диапазона частот.
min
пл
пл
min
Указанный технический результат достигается созданием рупорного излучателя для фазированной антенной решетки, который содержит отрезок квадратного волновода, ступенчатый пирамидальный рупор квадратного сечения, продольная ось симметрии которого совпадает с продольной осью симметрии отрезка квадратного волновода, и диэлектрическую пластину, предназначенную для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации, продольная плоскость симметрии которой расположена под углом 45 градусов к стенкам отрезка квадратного волновода. Диэлектрическая пластина выполнена с толщиной в диапазоне (0.1-0.3)λ/(ε-1), где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала, из которого она выполнена, а λ - минимальная длина волны в свободном пространстве рабочего диапазона частот. На концах диэлектрической пластины образованы профилированные согласующие участки. Первый профилированный согласующий участок расположен в отрезке квадратного волновода. Второй профилированный согласующий участок расположен в ступенчатом пирамидальном рупоре и выполнен в виде равнобедренной трапеции с высотой А, удовлетворяющей соотношению  меньшее основание которой обращено в сторону апертуры рупорного излучателя, или в виде равнобедренного треугольника с высотой А, удовлетворяющей соотношению  вершина которого направлена в сторону апертуры рупорного излучателя, где Н - продольный размер ступенчатого пирамидального рупора квадратного сечения.
Согласно частному варианту выполнения, первый согласующий участок выполнен в виде прямоугольника со ступенчатым вырезом или вырезом, имеющим форму равнобедренного треугольника, основание которого меньше поперечного размера второго согласующего участка, а вершина направлена в сторону апертуры рупорного излучателя.
На фигурах 1а и 1б представлено схематичное изображение (вид спереди и общий вид) существенных частей рупорного излучателя, принятого в качестве ближайшего аналога заявленного рупорного излучателя.
На фигурах 2а и 2б представлено схематичное изображение (вид спереди и общий вид) существенных частей рупорного излучателя согласно частному варианту выполнения.
На фигурах 3а и 3б представлено схематичное изображение диэлектрической пластины согласно частному варианту выполнения.
На фигуре 4 представлено схематичное изображение АР, в которой используется заявленный рупорный излучатель.
Рупорный излучатель, показанный на фигурах 2а и 2б, содержит отрезок квадратного волновода 1, ступенчатый пирамидальный рупор квадратного сечения 2 и диэлектрическую пластину 3. Продольная ось симметрии 4 ступенчатого пирамидального рупора квадратного сечения 2 совпадает с продольной осью симметрии 5 отрезка квадратного волновода 1.
1
min
1
Для достижения наилучших характеристик, количество ступеней рупора выбирается в зависимости от значения параметра А/λ (где A - длинна стороны квадратной апертуры рупорного излучателя) и условия сохранения малого продольного размера излучателя:
min
1
2
При размерах апертуры излучателя более 3λ излучатель целесообразно создавать в виде квадратной подрешетки с числом квадратных рупоров N, где N=A/A, где А - длина стороны апертуры квадратной подрешетки.
Выбор числа и размеров ступеней, обеспечивающих близкое к постоянному распределение электромагнитного поля в апертуре решетки, а с этим повышенный КИП рупора, проводится по методике, приведенной в статье (Кривошеев Ю.В., Шишлов А.В., Сусеров Ю.А., Денисенко В.В. «Разработка, моделирование и измерение характеристик высокоэффективного рупорного излучателя для фазированных антенных решеток», журнал «Радиотехника» №4, 2018, с. 47-52).
min
пл
пл
min
пл
Диэлектрическая пластина 3 предназначена для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации (при работе рупорного излучателя на передачу) или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации (при работе рупорного излучателя на прием). Продольная плоскость симметрии 6 диэлектрической пластины 3 расположена под углом 45 градусов к стенкам отрезка квадратного волновода 1 (и, соответственно, к стенкам ступенчатого пирамидального рупора квадратного сечения 2). Диэлектрическая пластина выполняется с толщиной в диапазоне (0.1-0.3)λ/(ε-1), где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала, из которого она выполнена, a λ - минимальная длина волны в свободном пространстве рабочего диапазона частот. Диэлектрическая пластина 3, выполняется, например, из материала RO3035 фирмы Rogers Corporation (ε=3.5).
На концах диэлектрической пластины 3 (смотри фигуры 3а и 3б) образованы профилированные согласующие участки, обеспечивающие уменьшение отражений для проходящих в рупорном излучателе через область диэлектрической пластины 3 волн с электрическим полем перпендикулярным или параллельным продольной плоскости симметрии 6 диэлектрической пластины 3.
Первый профилированный согласующий участок 7, расположен в отрезке квадратного волновода 2. В частном варианте, изображенном на фигуре 3а, он выполнен в виде прямоугольника со ступенчатым вырезом. В другом частном варианте, изображенном на фигуре 3б, он выполнен в виде прямоугольника с вырезом, имеющим форму равнобедренного треугольника, основание которого меньше поперечного размера второго согласующего участка, а вершина направлена в сторону апертуры рупорного излучателя.
Второй профилированный участок 8 расположен в ступенчатом пирамидальном рупоре 2. Он выполнен в виде равнобедренной трапеции с высотой А, удовлетворяющей соотношению  меньшее основание которой обращено в сторону апертуры рупорного излучателя (смотри фигуры 3а и 3б) или в виде равнобедренного треугольника с высотой А, удовлетворяющей соотношению  вершина которого направлена в сторону апертуры рупорного излучателя (на фигурах не показано), где Н - продольный размер ступенчатого пирамидального рупора квадратного сечения.
Заявленный рупорный излучатель работает следующим образом.
При работе на передачу сигнал с волной линейной поляризации (вектор электрического поля параллелен оси ОХ или OY, фигура 2б) поступает на вход отрезка квадратного волновода 1. Попадая на диэлектрическую пластину 3, которая установлена под углом 45 градусов к стенкам отрезка квадратного волновода 1, волна линейной поляризации преобразуется в волну круговой поляризации и излучается в свободное пространство. Диэлектрическая пластина 3 согласована с входом отрезка квадратного волновода 1 с помощью первого профилированного согласующего участка 7 (фигуры 3а и 3б).
При работе на прием сигнал с круговой поляризацией, падая на апертуру излучателя, попадает в ступенчатый пирамидальный рупор квадратного сечения 2 с диэлектрической пластиной 3 (фигура 2б), с помощью которой преобразуется в сигнал с линейной поляризацией и попадает в отрезок квадратного волновода 1.
Для сравнения характеристик заявленного излучателя и прототипа рассматривались рупора для 64 элементной волноводной решетки передающего диапазона 29-31 ГГц наземного терминала спутниковой системы связи (фигура 4). Моделирование проводилось с использованием специализированной компьютерной программы, основанной на сеточном методе решения уравнений Максвелла для рупора в составе бесконечной решетки.
min
В таблице 1 показаны значения КИП, КУ и уровня кроссполяризации для заявляемого в данном патенте пятиступенчатого рупорного излучателя и конического рупорного излучателя по патенту JPS №2002-118401. Размеры апертуры для обоих рупоров выбирались равными 20×20 мм и располагались в решетке по квадратной сетке, что определяет шаг излучателей в решетке, равный 2λ, где λ - длина волны в свободном пространстве на средней частоте рабочего диапазона 30 ГГц. Поперечный размер излучателя равен 3.8λ.
Из таблицы видно, что у заявленного рупорного излучателя КИП выше на 43-47%, чем у рупорного излучателя по прототипу. Это обеспечило повышение КУ заявленного ступенчатого рупорного излучателя по сравнению с прототипом в среднем на 1.7 дБ и сохранение низкого уровня кроссполяризации.