СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ЭЛЛИПТИЧНОСТИ

Область применения
Полезная модель относится к области антенной техники и предназначена для построения зеркальных антенн круговой поляризации с развязкой между левым и правым направлением вращения не менее - 23 дБ при полосе пропускания равной октаве.
Уровень техники
Известна турникетная антенна (патент RU №2236733, МПК H01Q 21/26, 10.07.2003), которая состоит из симметрирующего устройства, выполненного из трубок, закрепленных на плоском экране и образующих двухпроводный короткозамкнутый шлейф, длина которого изменяется с помощью короткозамыкателя, выполненного в виде диска с отверстиями для трубок симметрирующего устройства. Верхняя часть коаксиальной линии первой трубки выполнена в виде односекционного четвертьволнового согласующего трансформатора, верхний конец центрального проводника которого соединен с центральным проводником, проложенным во второй трубке и образующим с ней разомкнутый коаксиальный шлейф. Коаксиальные соединители соединены с выходными плечами коаксиального тройника, расположенного с противоположной стороны плоского экрана.
Известна также широкополосная турникетная антенна, наиболее близкая к заявленной полезной модели, (патент SU №1712995, МПК H01Q 21/26, 15.02.1992), которая содержит две пары полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов, размещенных в одной плоскости ортогонально в полом резонаторе и подключенных к квадратурному мосту посредством симметрирующего устройства. Полуволновые прямолинейные симметричные вибраторы установлены над дном полого резонатора и введены средний и верхний металлические экраны расположенные под и над прямолинейными симметричными вибраторами соответственно.
Основным недостатком технических решений является то, что, несмотря на широкую полосу пропускания антенны в целом, невозможно получить развязку между левой и правой эллиптической поляризацией выше - 17 дБ, и, как следствие, коэффициент эллиптичности выше 0.8. Причиной является симметричное возбуждение вибраторов и недостаточная развязка между линейными поляризациями ортогональных плеч антенны.
Кроме того, в вышеуказанных устройствах вибраторы симметричны и для их скрещивания необходимо разносить точки возбуждения по высоте, что ведет к отличию согласования каждого из них и в свою очередь, может повлиять на равномерность амплитуды возбуждения в полосе частот. Так же использование симметричных вибраторов не позволяет регулировать амплитуду и фазу сигнала в каждом из плеч в отдельности, что нередко требуется в готовом макете или целом изделии.
Сущность полезной модели
Техническим результатом предложенного решения является повышение минимального уровня развязки между левым и правым направлением вращения круговой поляризации поля до - 23 дБ в пределах ширины основного лепестка диаграммы направленности зеркальных антенн с полосой пропускания равной октаве.
Основной технический результат достигается тем, что
- сверхширокополосный облучатель содержит диполи, систему запитки для каждого диполя,
- скрещенные несимметричные диполи в форме лепестка, расположенные на кварцевой подложке над поверхностью рефлектора на расстоянии порядка четверти длины волны нижней границы частотного диапазона,
- каждый несимметричный диполь снабжен реактивным шлейфом на противоположной стороне кварцевой подложки, замкнутым на землю,
- реактивный шлейф и несимметричный диполь соединены через металлизированное переходное отверстие,
- каждый шлейф имеет общую землю в виде окружности, заполненной металлизацией с кольцеобразными вырезами, на кварцевой подложке,
- на пересечении несимметричных диполей расположено сквозное металлизированное отверстие, в которое вставлен металлический штифт, соединенный с полой тонкостенной металлической трубой, а в полости трубы расположены две пары коаксиального термоустойчивого кабеля, на другом конце трубы установлен дополнительный рефлектор диаметром не более полутора длин волн верхней границы частотного диапазона.
Использование несимметричных диполей значительно сокращает изменение положения фазового центра облучателя. Изменение составляет не более четверти длины волны верхней границы частотного диапазона. Таким образом, при помещении облучателя в фокус зеркала, расфазировка отраженных от его поверхности лучей становится минимальной, что увеличивает как коэффициент эллиптичности, так и уменьшает уровень первых боковых лепестков зеркальной антенны в целом, не давая выйти за границу выше - 20 дБ в полосе частот равной октаве.
Расположение несимметричных диполей в одной плоскости решает задачу совмещения фазовых центров их ортогональных пар. Таким образом, увеличивается значение коэффициента эллиптичности в широкой полосе частот (не менее октавы), т.к. отсутствие разнесения фазовых центров минимизирует ошибку разности фаз ортогональных пар диполей, связанную с несовпадением их начала отсчета каждого фазового фронта.
Выполнение несимметричных диполей в виде лепестков позволяет расширить полосу согласования облучателя за счет изменения вида кривой реактивной части полного входного комплексного сопротивления. В этом случае уменьшается как емкостная, так и индуктивная составляющая сопротивления в полосе частот равной не менее октавы.
Использование короткозамкнутых реактивных шлейфов, соединенных с каждым несимметричным диполем, так же позволяет расширить полосу согласования облучателя за счет компенсации оставшейся реактивной части входного комплексного сопротивления путем подбирания ширины и длины реактивного шлейфа.
Дополнительный рефлектор служит как инструмент, позволяющий регулировать уровень развязки между противоположными направлениями вращения круговой поляризации. Его диаметр и расстояние до основного рефлектора изменяет как поляризационные свойства всей зеркальной антенны, в которой используется облучатель, так и ее направленные характеристики.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен общий вид облучателя, на фиг. 2 - вид облучателя в продольном срезе, на фиг. 3, 4 - топология двусторонней печатной платы облучателя.
Осуществление полезной модели
Сверхширокополосный облучатель с высоким коэффициентом эллиптичности представляет собой печатную дипольную антенну турникетного типа, выполненную на кварцевой подложке 1. Скрещенные несимметричные диполи 2 в форме лепестка расположены в общей плоскости горизонтально над поверхностью рефлектора 3 на расстоянии порядка четверти длины волны нижней границы частотного диапазона. Каждый несимметричный диполь 2 имеет реактивный шлейф 4 на противоположной стороне кварцевой подложки 1, замкнутый на землю, при этом шлейф 4 и диполь 2 соединены через металлизированное переходное отверстие 5. Каждый шлейф 4 имеет общую землю в виде окружности 6, заполненной металлизацией с кольцеобразными вырезами 7. Возбуждение каждого из четырех независимых диполей 2 осуществляется жестким коаксиальным кабелем 8 равной электрической длины по схеме парафазной запитки. На кварцевой подложке 1 на пересечении осей каждого диполя 2 расположено сквозное металлизированное отверстие 9, в которое вставлен металлический штифт 10, соединенный с полой тонкостенной металлической трубой 11, при этом в ней расположены две пары коаксиального термоустойчивого кабеля 8. На другом конце трубы расположен дополнительный рефлектор 12 диаметром не более полутора длин волн верхней границы частотного диапазона.
Сверхширокополосный облучатель работает следующим образом. Каждый несимметричный диполь 2 возбуждается коаксиальной линией передачи 8 соответствующей одной из четырех отдельных развязанных каналов, при этом двигаясь в направлении кругового вращения относительно центра пересечения осей каждого диполя 2, набег фазы между соседними диполями 2 составляет 90°, образуя последовательность 0-90-180-270° или 0-270-180-90°. Возбуждение всех несимметричных диполей 2 равной амплитудой в совокупности с условием квадратурного набега фазы формирует электрическое поле круговой поляризации. Задавая ту или иную последовательность набега фазы, изменяется направление вращения вектора электрического поля, определяющее правый или левый круг поляризации. Электрическое волна, отражаясь от основного рефлектора 3, синфазно складывается с волнами в том же направлении, тем самым формируя диаграмму направленности с главным лепестком в одной полуплоскости.
Таким образом, независимое возбуждение каждого несимметричного диполя значительно расширяет полосу пропускания облучателя при жестком условии развязки между ортогональными скрещенными парами - 70 дБ. При этом существует возможность регулировки амплитуды и фазы излучения в каждом из четырех независимых плеч облучателя, что позволяет проводить техническую настройку направленных характеристик реальных образцов
Предложенное решение также позволяет использовать печатные технологии, что значительно увеличивает повторяемость всех образцов при серийном производстве.