Рупорная антенна с эллиптическим поляризатором
HORN ANTENNA WITH ELLIPTICAL POLARIZER

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к средствам преобразования поляризации волн в волноводе, и может быть использовано в антенных системах в С, X, Ku, К, Ка диапазонах частот (NOMENCLATURE OF THE FREQUENCY AND WAVELENGTH BANDS USED IN TELECOMMUNICATIONS. Rec. ITU-R V. 431-6).
Известен преобразователь поляризации, содержащий последовательно расположенные и соединенные плавными переходами отрезок входного круглого волновода с диаметром равным диаметру отрезка выходного круглого волновода и отрезок промежуточного волновода (патент JPH 0197001 А, МПК Н01Р 1/161, Н01Р 1/17, Н01Р 1/18, опубл. 14.04.1989).
Недостатком указанного преобразователя, как и других подобных преобразователей поляризации, является низкие поляризационные характеристики и сложность изготовления.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является рупорная антенна с эллиптическим преобразователем поляризации, содержащая последовательно расположенные и соединенные согласующими переходами отрезок входного волновода, отрезок промежуточного волновода, имеющий поперечное сечение в форме эллипса, и отрезок выходного волновода (патент RU 2663306 С1 МПК Н01Р 1/16, опубл. 03.08.2018).
Недостатком данной антенны с эллиптическим поляризатором преобразователя поляризации является невозможность ее изготовления в виде цельнометаллической монолитной конструкции, что ведет к большим погрешностям из-за наличия у преобразователя стыков элементов конструкции, ухудшающих ее поляризационные характеристики и увеличивающих вес конструкции, что отрицательно сказывается на обеспечении стабильности связи КА (космического аппарата) при изменении его углового и пространственного положения, а также на его массовых характеристиках.
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является улучшение поляризационных характеристик рупорной антенны с эллиптическим поляризатором и снижение ее массы путем оптимизации конструкции ее поляризатора и технологии изготовления антенны.
Указанная техническая проблема решается тем, что в известной рупорной антенне с эллиптическим поляризатором, содержащей последовательно расположенные и соединенные согласующими переходами отрезок входного волновода, отрезок промежуточного волновода, имеющий поперечное сечение в форме эллипса, и отрезок выходного волновода, сопряженный с гофрированным рупором антенны, новым является то, что отрезки входного и выходного волноводов имеют форму усеченного конуса, сопряженного основанием, имеющим форму эллипса, с отрезком промежуточного волновода, а основанием, имеющим форму круга, с отрезками круглого волновода, расположенными на входе и выходе антенны, при этом с другой стороны входной круглый волновод сопряжен с крепежным фланцем, имеющим осевой канал прямоугольного сечения, а выходной круглый волновод сопряжен с эллиптическим рупорным облучателем антенны, имеющим форму усеченного конуса, причем длины отрезков круглых волноводов кратны  длины волны в круглом волноводе, длины отрезков входного и выходного переходов кратны  длины волны в данных переходах, длина промежуточного волновода кратна длине волны в эллиптическом волноводе, при этом на наружной поверхности рупора, выполненной в виде усеченного конуса, соосно продольной оси антенны размещены концентрически расположенные эллиптические гофры, имеющие одинаковую высоту, расстояние между которыми кратно  длины волны.
Выполнение эллиптического поляризатора в виде отрезка входного и выходного волноводов, имеющих форму эллипса, с отрезком промежуточного волновода, а основанием, имеющим форму круга, с отрезками круглого волновода, расположенными на входе и выходе антенны, позволяет в сочетании с геометрическими параметрами рупора получить широкую поляризационную диаграмму с высоким коэффициентом эллиптичности (свыше 0,8 в секторе углов ±90°) в различных сечениях.
Сопряжение круглого волновода с крепежным фланцем, имеющим осевой канал прямоугольного сечения, из-за отсутствия второй ортогональной составляющей исключает произвольные вращения вектора на входе поляризатора, что положительно влияет на качество поляризационной диаграммы.
11В
11Г
Выполнение длин отрезков круглых волноводов кратными  длины волны в круглом волноводе, длин отрезков входного и выходного переходов кратными  длины волны в данных переходах, длины промежуточного волновода кратной длине волны в эллиптическом волноводе, при этом на наружной поверхности рупора, выполненной в виде усеченного конуса, соосно продольной оси антенны размещены концентрически расположенные эллиптические гофры, имеющие одинаковую высоту, расстояние между которыми кратно  длины волны, такая кратность в размерах волноводов в поляризаторе обеспечивает разницу между фазовыми скоростями волн Н и Н в 90°, что позволяет задать вращение вектору электрического поля, а геометрия переходов в сочетании с раскрывом рупора позволяет за счет оптимального фазового распределения поля сформировать широкую поляризационную диаграмму в пределах полусферы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - свободный разрез по поляризатору;
фиг. 2 - свободный разрез по поляризатору;
фиг. 3 - фотография распределения электрического поля;
фиг. 4 - расчетная объемная поляризационная диаграмма;
фиг. 5 - диаграмма сравнительных характеристик расчетных и измеренных в безэховой камере (БЭК) поляризационных диаграмм на частоте 26 ГГц.
Рупорная антенна с эллиптическим поляризатором, представленная на фиг. 1, содержит последовательно расположенные и соединенные согласующими переходами (3,5) отрезок входного волновода (2), отрезок промежуточного волновода (4), имеющий поперечное сечение в форме эллипса, и отрезок выходного волновода (6), сопряженный с гофрированным рупором антенны (7). Отрезки входного (2) и выходного волноводов (6) имеют форму усеченного конуса, сопряженного основанием, имеющим форму эллипса, с отрезком промежуточного волновода (4), а основанием, имеющим форму круга, с отрезками круглого волновода (2,6), расположенными на входе и выходе антенны, при этом с другой стороны входной круглый волновод (2) сопряжен с крепежным фланцем, имеющим осевой канал прямоугольного сечения (1), а выходной круглый волновод (6) сопряжен с эллиптическим рупорным облучателем антенны (7), имеющим форму усеченного конуса, причем длины отрезков круглых волноводов (2,6) кратны  длины волны в круглом волноводе, длины отрезков входного (3) и выходного (5) переходов кратны  длины волны в данных переходах, длина промежуточного волновода кратна длине волны в эллиптическом волноводе, при этом на наружной поверхности рупора (7), выполненной в виде усеченного конуса, соосно продольной оси антенны размещены концентрически расположенные эллиптические гофры (8), имеющие одинаковую высоту, расстояние между которыми кратно  длины волны.
Рупорная антенна с эллиптическим поляризатором работает следующим образом.
11
11В
11Г
11В
11Г
Волна Ню линейной поляризации, поступающая из волновода прямоугольного сечения, где преобразовывается в тип волны Н, затем через прямоугольный осевой канал фланца (1) поступает в отрезок входного круглого волновода (2), где уже данный переход выступает в роли согласующего устройства между волноводом и остальной частью антенны. Электромагнитное поле этой волны можно разложить на две ортогональные составляющие Н и Н, ориентированные параллельно осям у и х, причем длина отрезка круглого волновода (2) кратна  длины волны в круглом волноводе. Затем в переходе (3) разница между фазовыми скоростями волн Н и Н начинает составлять 90°, причем длина отрезка входного перехода (3) кратна  длины волны в данном переходе. Далее данные типы волн попадают в промежуточный эллиптический волновод (4), который повернут на 45° вокруг оси  в котором от направления поворота будет зависеть направление вращения вектора электрического поля, где данные типы волн начинают стабилизироваться, как показано на фиг. 3. Длина промежуточного волновода (4) кратна длине волны в указанном волноводе (4). Далее в выходном переходе (5) вращение вектора электрического поля продолжает стабилизироваться. Длина выходного перехода (5) кратна  длины волны в данном переходе. Круглый волновод (6) расширяется и переходит из круглого в эллиптическое сечение (7). Соосно продольной оси антенны размещены концентрически расположенные эллиптические гофры (8), имеющие одинаковую высоту. При этом гофрированный эллиптический рупор (8) антенны распространяет одновременно поперечные электрическую ТЕ1 и магнитную ТМ1 моды. Исполнение эллипса в раскрыве выполнено в виде гофрированного рупора антенны с эллиптическим поляризатором, что компенсирует не симметричность силовых линий электрических и магнитных полей, а также дает возможность получить симметричную диаграмму направленности в плоскостях Е (электрической) и Н (магнитной).
Оптимизация геометрических размеров рупорной антенны с эллиптическим поляризатором выполнена по рассчитанной сложной математической модели с помощью программы трехмерного моделирования электромагнитного поля «CST Microwave Studio».
Сочетание этих приемов позволяет изготовить рупорную антенну с эллиптическим поляризатором, соответствующей заявленной конфигурации, в виде монолитной конструкции, выполненной по СЛС-технологии, что позволило избавиться от соединительных фланцев, наличие которых привело к нарушению центровки и потерям в радиотракте. Соотношение размеров отрезков волноводов и длин волн, предварительно рассчитанных радиотехнических параметров с помощью программного обеспечения CST Microwave Studio (см. например, книгу «Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio» / Под редакцией Курушина А.А., Пластикова А.Н. - М. Издательство МЭИ, 2011, 155 с.), позволяет обеспечить получение на выходе антенны электромагнитного поля с заданными параметрами.
Разработанная рупорная антенна с эллиптическим поляризатором, создает широкую (в секторе углов ±90°) объемную поляризационную диаграмму с высоким коэффициентом эллиптичности (~0,8) (см. фиг. 4). Результаты радиотехнических измерений показали высокую сходимость с расчетными значениями. Результаты расчетов подтверждены результатами измерений (фиг. 5) и показывают высокую сходимость ~95%. Измерения радиотехнических параметров рупорной антенны с эллиптическим поляризатором выполнены с помощью векторного анализатора цепей серии PNA-X Keysight №5242А (Keysight Technologies. Контрольно-измерительные решения. Каталог 2020) в безэховой экранированной камере (БЭК).
Предложенное изобретение промышленно применимо, может изготавливаться промышленным способом при серийном производстве с высокой повторяемостью готовых изделий при помощи 3D-печати методом селективного лазерного сплавления.
Рупорная антенна с эллиптическим поляризатором может быть использована на любых космических аппаратах, а также на наземных станциях, в качестве облучателя параболической антенны наземной станции космической связи.