БИКОНИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
BICONICAL RADIATOR

Изобретение относится к области радиотехники сантиметрового диапазона длин волн и позволяет придать биконическому излучателю дополнительные полезные радиотехнические свойства - возможность работы на наклонной и горизонтальной поляризации.
Из уровня техники известны:
Биконический рупорный излучатель [1, с.11, рис.1.2д] для излучения сигнала с вертикальной поляризацией (ВП), с волной типа ТЕМ, возбуждаемой в раскрыве соосным с излучателем штырем. Особенностью данного излучателя является его частотная широкополосность (относительная ширина полосы частот более 150%) и всенаправленная диаграмма направленности (ДН) в плоскости перпендикулярной оси.
Недостатком данного излучателя является невозможность возбуждения волн горизонтальной поляризации (ГП).
01
Способы возбуждения в биконическом излучателе [1, с.213, рис.5.15 и 2, с.164, рис.16.V] волны TE для работы излучателя на горизонтальной поляризации. В общем случае, возбуждение данного типа волн сводится к применению для запитки излучателя специальной системы возбуждения:
- либо, как в биконическом излучателе [1, с.213, рис.5.15], витка тока (магнитного диполя), в плоскости, перпендикулярной оси излучателя;
- либо, как в биконическом излучателе [2, с.164, рис.16.V], кольцевой антенной решетки из симметричных вибраторных антенн в плоскости, перпендикулярной оси излучателя.
Данное решение позволяет сформировать ненаправленную ДН ГП, однако частотная широкополосность конструкций ограничена шириной полосы системы возбуждения. Так, максимальная ширина рабочей полосы магнитного диполя, как и симметричного вибратора с равной эффективной действующей длиной, не более 30…35%, а полоса излучения кольцевой антенной решетки ограничена как частотными характеристиками самих вибраторов, так и сильным искажением результирующей ДН за счет дифракционных максимумов и минимумов провалов.
Кроме того, недостатком существующего решения является невозможность возбуждения волн с ВП.
Биконический излучатель [3] для работы на вертикальной и горизонтальных поляризациях. В общем случае, возбуждение данного типа волн сводится к применению для запитки излучателя специальной системы возбуждения:
- либо, как в [3, фиг.5], с помощью совмещенных в центральной точке запитки штыря и магнитного диполя, запитываемых с помощью делителя СВЧ;
- либо, как в [3, фиг.3], с помощью совмещенных в центральной точке запитки штыря и спирального витка;
- либо, как в [3, фиг.4], с помощью совмещенных в центральной точке запитки последовательно включенных штыря и магнитного диполя.
Таким образом, использование в [3, фиг.5] и [3, фиг.4] решений, аналогичных [1, с.213, рис.5.15], а в [3, фиг.3] спирального витка, представляющим собой спиральную антенну с малым диаметром витка, эффективная ширина рабочей полосы которого составляет не более 70%, ограничивает рабочую частоту излучателя.
Кроме того, использование делителя СВЧ и совмещение двух излучателей в месте запитки приводит к повышенному взаимовлиянию излучателей и снижению КНД устройства.
Общим недостатком технических решений, приведенных в [3], является отсутствие сведений и результатов технической реализации. Также не приведены конструктивные сведения о действующих геометрических размерах как самого излучателя, так и запитки, отсутствует информация о ширине рабочей полосы предложенной конструкции.
a
1
1
Поляризатор волн проходного типа на основе анизотропной среды из плоских параллельных пластин [4, с.130, рис.3-4, а] с расстоянием между пластинами , большим половины длины волны. При помещении поляризатора в раскрыв антенны линейной поляризации в зависимости от угла наклона пластин поляризатора к вектору Е, толщины поляризатора и разницы фазовых скоростей волн ТЕМ и H для определенной частоты, можно получить линейно поляризованную волну любой ориентации. Недостатком данного технического решения является узкополосность, определяемая частотной зависимостью фазовой скорости волны H.
Задачей изобретения является построение сверхширокополосной всенаправленной антенны для работы на двух ортогональных поляризациях ВП и ГП.
Решение этой задачи достигается за счет широкополосной соосной запитки, а работа на отличных от вертикальной поляризациях - за счет конструкции излучателя.
Изобретение относится к области радиотехники сантиметрового диапазона длин волн и позволяет придать биконическому излучателю дополнительные полезные радиотехнические свойства - возможность работы на наклонной и горизонтальной поляризации.
Устройство представляет собой биконический излучатель, образованный конусами 1 и 2, с помещенной в его раскрыв периодической структурой анизотропной среды - поляризационным фильтром 3. Запитка антенны осуществляется с помощью коаксиального фидера 4 через соосный конструкции возбуждающий штырь 5. Поляризационный фильтр 3 представляет собой соосную с запиткой симметричную конструкцию из трапециевидных металлических пластин 6. Пластины 6 ориентированы таким образом, что плоскость, в которой находится каждая пластина, проходит через геометрический центр 8 биконического излучателя и наклонена под определенным углом в диапазоне 40°…50° к плоскости 7, перпендикулярной оси антенны и проходящей через 8 (фиг.1).
min
max
max
min
min
min
min
max
a
Геометрические размеры биконического излучателя для диапазона длин волн [λ; λ]: α≈30°±5°; R≥λ; l≤2λ; =λ/2. Толщина пластин 6 - не более λ/60, где λ, λ - минимальная и максимальная длина волны рабочего диапазона частот; l - толщина поляризационного фильтра; α - угол наклона пластин; R - радиус основания конусов.
min
min
Ширина l поляризационного фильтра 3 имеет периодический характер и изменяется в пределах от λ/2 до 2λ по периодическому закону, близкому к гармоническому, что позволяет понизить КСВН излучателя и расширить полосу рабочих частот.
Угол наклона пластин 6 имеет периодический характер, изменяясь от 40° до 50° по закону, близкому к гармоническому, что позволяет дополнительно понизить КСВН, расширить полосу рабочих частот и существенно снизить искажения ДН.
Прототип
Ближайший аналог изобретения биконический рупорный излучатель [1], с.11, рис.1.2 Д].
Принцип работы
Возбуждаемая штырем 5 волна типа ТЕМ падает на анизотропную среду 3. Параметры анизотропной среды 3 выбраны таким образом, чтобы создать условия для распространения ТЕМ волны с вектором Е, перпендикулярным плоскости пластин. Другие типы волн или затухают в анизотропной среде 3, или переотражаясь, затухают внутри излучателя. Таким образом, излученная в открытое пространство волна имеет наклонную поляризацию вектора Е, и излучатель может работать на двух ортогональных поляризациях - горизонтальной и вертикальной.
Практические результаты: полоса рабочих частот более 100%.
Литература
1. Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот. - М.: Сов. радио, 1957. - 647 с. с ил.
2. Дорохов А.П. Расчет и конструирование антенно-фидерных устройств. - Харьков: Издательство Харьковского государственного университета им. А.М. Горького, 1960. - 450 с. с ил.
3. Stephen E. Lipsky. Polarized feed apparatus for biconical antennas. - Patent US 3829863. - 12.03.1973.
4. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: Энергия, 1973. - 440 с. с ил.