ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в технике связи и спутникового телевидения.
Известен облучатель для зеркальной антенны, состоящий из круглого волновода и апертурного излучателя в виде конического рупора с гладкими или ребристыми стенками [Бахрах Л.Д., Галимов Г.К. Зеркальные сканирующие антенны: Теория и методы расчета. - М.: Наука, 1981, стр.31-33, 37]. Недостатком этого облучателя является реализация спадающего амплитудного распределения в раскрыве зеркальной антенны, что приводит к уменьшению ее эффективности, в частности, к уменьшению коэффициента использования поверхности (КИП).
Построение эффективных облучателей основано на реализации амплитудных распределений, согласованных с полем в фокальной плоскости зеркальной антенны при падении на нее плоской волны (фокальным полем). Это поле имеет центральную зону (фокальное пятно) и знакопеременные кольцевые зоны с уменьшающейся амплитудой. Известен облучатель для зеркальной антенны, состоящий из круглого волновода и апертурного излучателя, содержащего одну коаксиальную насадку [Бахрах Л.Д., Галимов Г.К. Зеркальные сканирующие антенны: Теория и методы расчета. - М.: Наука, 1981, стр.35-37]. Замедление волны в коаксиальной насадке обеспечивается с помощью диэлектрического заполнения. Облучатель формирует поле, согласованное с фокальным полем зеркальной антенны в пределах первой кольцевой зоны фокального поля. Благодаря этому происходит более равномерное облучение зеркальной антенны и повышение КИП. Недостатком этого облучателя является сложность конструкции.
Известен также облучатель для зеркальной антенны, состоящий из круглого волновода и осесимметричного рефлектора, образующая кромки которого выполнена в виде отрезка прямой, аппроксимирующей параболу с фокусным расстоянием в половину длины волны с фокусом, расположенным в центре апертуры волновода, и согласованной с границами первой кольцевой зоны фокального поля зеркальной антенны [Патент №2267839, Российская Федерация, H01Q 19/13, 2006 г]. Облучатель формирует поле, согласованное с фокальным полем зеркальной антенны. Это приводит к более равномерному облучению зеркальной антенны и повышению КИП. Недостатком этого облучателя является широкая диаграмма направленности (ДН), что не позволяет использовать облучатель для офсетных зеркальных антенн с углом раскрыва 70-90 градусов.
Известен диэлектрический облучатель для зеркальной антенны, состоящий из круглого волновода, апертурного излучателя и диэлектрического цилиндрического стержня, на концах которого выполнены согласующие переходы [Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. Ч.2 - М.: «Связь», 1977, стр.205-211]. Апертурный излучатель выполнен в виде открытого конца круглого волновода, а согласующие переходы выполнены в виде скосов. Диаметр диэлектрического цилиндрического стержня равен диаметру волновода. Недостатками облучателя являются большая длина и сложная форма стержня, а также недостаточно высокое значение КИП зеркальной антенны. Данный облучатель выбран в качестве прототипа.
Целью полезной модели является повышение КИП зеркальной антенны.
Данная цель достигается тем, что в диэлектрическом облучателе для зеркальной антенны, содержащем круглый волновод, апертурный излучатель и диэлектрический цилиндрический стержень, на концах которого выполнены согласующие переходы, согласно полезной модели диаметр диэлектрического цилиндрического стержня выбран в пределах 0,4÷1,0 диаметра круглого волновода, при этом диэлектрический цилиндрический стержень соединен с, по меньшей мере одной, вновь введенной диэлектрической опорой, выполненной, например, в виде диэлектрической крышки, закрепленной на апертурном излучателе.
Также согласующие переходы выполнены в виде зауженных участков диэлектрического цилиндрического стержня, представляющих собой четвертьволновые трансформаторы.
Также диэлектрический цилиндрический стержень и диэлектрическая крышка скреплены с помощью резьбового соединения.
Также апертурный излучатель выполнен в виде осесимметричного конического рефлектора с гладкими или ребристыми стенками с возможностью реализации в его апертуре амплитудного распределения, согласованного с фокальным полем зеркальной антенны.
Устройство поясняется чертежами, где
- на Фиг.1 изображен облучатель, содержащий диэлектрический цилиндрический стержень, закрепленный на круглом волноводе;
- на Фиг.2 изображен облучатель, содержащий диэлектрический цилиндрический стержень, соединенный с диэлектрической крышкой резьбовым соединением;
- на Фиг.3 изображена кривая зависимости КИП зеркальной антенны от диаметра диэлектрического цилиндрического стержня;
- на Фиг.4 изображена ДН облучателей по Фиг.1, 2;
- на Фиг.5 изображена кривая зависимости КИП облучателя от угла полураствора зеркальной антенны;
- на Фиг.6 изображен облучатель, содержащий диэлектрический цилиндрический стержень, закрепленный на осесимметричном ребристом коническом рефлекторе;
- на Фиг.7 изображен облучатель, содержащий диэлектрический цилиндрический стержень, закрепленный на осесимметричном коническом рефлекторе с гладкими стенками;
- на Фиг.8 изображена диаграмма направленности облучателя по Фиг.7;
- на Фиг.9 изображена кривая зависимости КИП облучателя от угла полураствора зеркальной антенны.
Предлагаемый осесимметричный облучатель для зеркальной антенны изображен на Фиг.1. и выполнен из круглого волновода 1, апертурного излучателя в виде открытого конца 2 круглого волновода 1, диэлектрического цилиндрического стержня 3, соединенного с диэлектрической опорой 4, выполненной, например, в виде диэлектрической крышки 5. На концах стержня 3 выполнены согласующие переходы в виде зауженных цилиндрических участков 6 и 7. Стержень 3 и крышка 5 могут быть изготовлены как единое целое, например, токарным способом. Однако с целью уменьшения расхода материала их целесообразно изготовить отдельно и соединить между собой с помощью резьбового соединения, как изображено на Фиг.2. Стержень 3 ввернут в крышку 5, имеющую достаточную толщину, при этом соединение может быть заполнено клеем или герметиком. Крышку 5 можно закрепить на круглом волноводе 1 с помощью, например, винтов или стягивающего хомута. Согласующие переходы имеют простую форму и минимальную длину и выполнены в виде четвертьволновых трансформаторов. Для улучшения согласования облучателя четвертьволновые трансформаторы могут быть выполнены многоступенчатыми. Стержень 3 и крышка 5 могут быть изготовлены из фторопласта, полиэтилена, полистирола и других диэлектрических материалов.
c
b
b
0
0
Рассмотрим действие устройства. В приближении геометрической оптики действие облучателя по Фиг.1 сводится к следующему. Толщина стержня 3 влияет на форму амплитудного распределения в апертуре облучателя. Между лучом, распространяющимся по стержню 3, и лучами, прошедшими через крышку 5, возникает фазовый сдвиг, зависящий от длины стержня 3. При фазовом сдвиге в 180 градусов между указанными лучами амплитудное распределение в апертуре облучателя характеризуется противофазной кольцевой зоной и приближается по форме к распределению фокального поля зеркальной антенны. ДН облучателя становится более равномерной и КИП повышается. Практически толщину и длину стержня 3 выбирают расчетным или экспериментальным путем из условия обеспечения максимального значения КПП на заданной частоте и для заданного угла раствора зеркала. На Фиг.3 изображена расчетная кривая зависимости КИП зеркальной антенны с углом полураскрыва 45 градусов от  относительной толщины фторопластового стержня длиной 0,92·λ, где d - диаметр стержня 3, d - диаметр круглого волновода 1, λ - длина волны. Видно, что положительный эффект предлагаемого облучателя по сравнению с облучателем по прототипу достигается для толщины стержня 3 0,4÷1,0 диаметра круглого волновода 1. На Фиг.4 изображены ДН облучателей по Фиг.1, 2 в Е-плоскости и Н-плоскости для диаметра диэлектрического цилиндрического стержня, равного 0,645·d. Максимальная величина КИП составляет 0,76 для θ=45 градусов, где θ - угол полураствора зеркальной антенны. Таким образом, с точки зрения эффективности облучателя диаметр стержня 3 должен быть меньше диаметра круглого волновода 1. Кроме того, уменьшение диаметра стержня 3 приводит к улучшению согласования облучателя.
0
b
На Фиг.6 изображен вариант облучателя, содержащего круглый волновод 8, апертурный излучатель в виде осесимметричного конического ребристого рефлектора 9 с, например, одной кольцевой канавкой 10. Угол при вершине конуса равен, например, 180 градусов. Диэлектрическая крышка 11 закреплена на рефлекторе 9. В случае тонкой крышки 11 механическое крепление диэлектрического цилиндрического стержня 12 может быть осуществлено с помощью диэлектрической цилиндрической гайки 13, навернутой на зауженный конец 14 стержня 12. Благодаря рефлектору 9 происходит увеличение КИП зеркальной антенны за счет уменьшения заднего излучения облучателя и приближения амплитудного распределения облучателя к распределению фокального поля. Утолщение 15 на волноводе предназначено для крепления облучателя в хомуте зеркальной антенны. КИП облучателя с ребристым рефлектором достигает величины 0,79 для θ=45 градусов. Диаметр фторопластового стержня 12 составляет 0,684·d, длина стержня равна 0,8·λ
Наиболее полно преимущества предлагаемой полезной модели демонстрирует вариант облучателя, изображенного на Фиг.7. Облучатель состоит из круглого волновода 16, апертурного излучателя в виде осесимметричного рефлектора 17, например, с гладкой конической стенкой, составляющей угол 45 градусов по отношению к оси облучателя. Диэлектрическая крышка 18 закреплена на рефлекторе 17. Диэлектрический стержень 19 может быть закреплен на крышке 18 и диэлектрической шайбе 20, расположенной в круглом волноводе 16. Диаметр рефлектора 17 согласован с наружным диаметром первой кольцевой зоны фокального поля зеркальной антенны, составляющим
где D - наружный диаметр первой кольцевой зоны фокального поля.
Размеры рефлектора 17 подобраны таким образом, что боковой луч 21 диэлектрического стержня 19 после отражения от конического рефлектора 17 отличается по фазе на 180 градусов относительно осевого луча 22. Облучатель формирует амплитудное распределение А(r), согласованное с фокальным полем зеркальной антенны в пределах центральной зоны и первой кольцевой зоны фокального поля и изображенное кривой 23. Дополнительный вклад в величину КИП происходит за счет полезного использования бокового излучения диэлектрического стержня 19, а также наилучшего совпадения амплитудного распределения облучателя с фокальным полем зеркальной антенны. На Фиг.8 изображена расчетная ДН облучателя, реализующая практически равномерное облучение офсетной зеркальной антенны с углом полураствора 35 градусов. Как видно из Фиг.9 величина КИП зеркальной антенны достигает 0,83.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет достаточно простыми средствами обеспечить повышение КИП зеркальной антенны. Сочетание диэлектрического стержня и конического рефлектора обеспечивает возможность реализации амплитудных распределений, согласованных с фокальным полем зеркальной антенны. Облучатель может быть использован в различных зеркальных антеннах для систем связи и спутникового телевидения.