СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ТЕМ-РУПОР

Полезная модель относится к радиотехнике: сверхширокополосным антеннам СВЧ-диапазона, а именно волноводным рупорам, и может найти применение в системах связи, радиолокации, неразрушающего контроля.
Известна антенна (Зайцев А.В. Метод расчета сверхширокополосной рупорной антенны для априори сигнала [Текст] / А.В. Зайцев // Успехи современной радиоэлектроники. - 2009. - №1-2. - с.155-161), представляющая собой изогнутые плоские пластины, расположенные друг над другом и удерживаемые по бокам непроводящими вставками. Недостатком этой антенны является достаточно высокая нижняя граничная частота излучения, составляющая 0,9 ГГц по уровню коэффициента стоячей волны по напряжению, равному 2, а также приемлемый уровень коэффициента усиления 12 дБ только на частотах, выше 2,5 ГГц.
Наиболее близким по совокупности признаков является взятый за прототип TEM-рупор (Kyung-Ho Chung Design of a Wideband TEM Horn Antenna [Text] / Kyung-Ho Chung, Sung-Ho Pyun, S.-Y. Chung, Jae-Hoon Choi // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2003. - pp.229-232), представляющий собой две плоские пластины, для которых зависимость продольного распределения волнового сопротивления W от координаты x, откладываемой вдоль оси симметрии антенны, имеет вид
0
L
0
W(x)=Wexp[(x/L)ln(W/W)],
0
L
где L - длина антенны, W, W - волновое сопротивление у точки подключения фидерной линии и у апертуры антенны соответственно, расстояние между которыми H и ширина которых B изменяются по формулам:
0
L
0
H(x)=Hexp[(x/L)ln(H/H)],
B(x)=120πH(x)/W(x),
0
L
где H, H - расстояние между пластинами у точки подключения фидерной линии и у апертуры соответственно. Его недостатком является недостаточно высокий коэффициент усиления, особенно в области низких частот, а также высокий уровень коэффициента стоячей волны по напряжению около нижней граничной частоты излучения. Недостатком описанного устройства является недостаточно высокий коэффициент усиления, особенно в области низких частот.
Задача, на решение которой направлена данная полезная модель, заключается улучшении характеристик устройства за счет изменения профиля лепестков TEM-рупора.
Техническим результатом настоящей полезной модели является увеличение коэффициента усиления антенны и улучшение уровня согласования с фидерной линией.
Технический результат достигается тем, что сверхширокополосный TEM-рупор, включающий корпус, две пластины, точку подключения фидерной линии, согласно полезной модели, отличается профилем пластин, расстояние H между которыми и ширина которых B экспоненциально зависят от координаты x (вдоль оси симметрии антенны) и изменяются по формулам:
0
L
0
β
H(x)=Hexp[(x/L)ln(H/H)],
B(x)=H(x)-2Δ)(200π/W(x)-1),
0
L
0
L
0
0
L
где L - длина антенны, H, H - расстояние между пластинами у точки подключения фидерной линии и у апертуры соответственно, β - положительное вещественное число меньше 1, Δ - толщина пластин, причем W(x)=Wexp[(x/L)ln(W/W)] - зависимость продольного распределения волнового сопротивления антенны от координаты x, а W, W - волновое сопротивление у точки подключения фидерной линии и у апертуры антенны соответственно.
На фиг.1 изображены проекции заявленного сверхширокополосного TEM-рупора.
На фиг.2 показана зависимость коэффициента усиления G от частоты входного сигнала f для предложенного сверхширокополосного TEM-рупора и прототипа.
На фиг.3 показана зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению КСВН от частоты f для предложенного сверхширокополосного TEM-рупора и прототипа.
Сверхширокополосный TEM -рупор состоит из непроводящего корпуса 1, удерживающего пластины 2, 3, точки подключения фидерной линии 4 (фиг.1). Причем расстояние H между пластинами 2 и 3 в зависимости от координаты x изменяется по формуле:
0
L
0
β
H(x)=Hexp[(x/L)ln(H/H)],
0
L
где L - длина антенны, H, H - расстояние между пластинами у точки подключения фидерной линии и у апертуры соответственно, β - положительное вещественное число, β<1. Ширина B пластин 2 и 3 в зависимости от координаты x изменяется по формуле
B(x)=H(x)-2Δ)(200π/W(x)-1),
где H(x) - расстояние между пластинами, Δ - толщина пластин 2 и 3, W(x) - зависимость продольного распределения волнового сопротивления антенны W от координаты x, которая рассчитывается по формуле
0
L
0
W(x)=Wexp[(x/L)ln(W/W)],
0
L
где W, W - волновое сопротивление у точки подключения фидерной линии и у апертуры антенны соответственно.
Выбор параметра β позволяет улучшить направленные свойства и согласование антенны с фидерной линией.
Электромагнитное поле поступает на вход антенны, возбуждает TEM-волну, которая распространяется между пластинами 2 и 3 вдоль оси x по направлению к апертуре и излучается ею.
Оценка работы сверхширокополосного TEM-рупора осуществлялась на макете со следующими конструктивными параметрами:
0
L
0
L
L - 300 мм, W=50 Ом, W=377 Ом, H=2 мм, H=300 мм, Δ=0,2 мм, β=0,5 (кривая 1)
0
L
0
L
L=300 мм, W=50 Ом, W=377 Ом, Н=2 мм, H=300 мм, Δ=0,2 мм, β=0,4 (кривая 3)
0
L
0
L
L=300 мм, W=50 Ом, W=377 Ом, Н=2 мм, H=300 мм, Δ=0,2 мм, β=0,7 (кривая 4)
Из графика зависимости коэффициента усиления G в осевом направлении от частоты f входного сигнала (фиг.2) для предложенного устройства с различными значениями параметра β и прототипа такой же длины и с такими же размерами апертуры (кривая 2) видно, что величина коэффициента усиления предложенного сверхширокополосного TEM-рупора превышает коэффициент усиления прототипа на величину до 3 дБ в диапазоне от 1 до 5 ГГц.
Из графика зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению КСВН от частоты f входного сигнала (фиг.3) для предложенного устройства с различными значениями параметра β и прототипа такой же длины и с такими же размерами апертуры (кривая 2) видно, что уровень КСВН на входе предложенного сверхширокополосного TEM-рупора в среднем ниже, чем у прототипа в диапазоне от 1 до 5 ГГц, что позволяет добиться лучшего согласования с фидерной линией.