Двухдиапазонный излучатель для антенной решетки
DUAL-BAND EMITTER FOR ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к антеннам, и может быть использовано в двухдиапазонных антенных решетках, в том числе фазированных, техники связи, и в радиолокационных устройствах.
При создании различных устройств (связи, радиолокации) возникает задача создания антенных решеток с линейной поляризацией, работающих в двух диапазонах частот, причем диапазоны должны быть разнесены достаточно далеко по частоте. Антенная решетка при этом должна иметь минимальный вес, низкую стоимость и высокую технологичность. Такими свойствами обладают антенные решетки, выполненные на основе вибраторных излучателей.
Для двухдиапазонных антенных решеток необходимо иметь излучатель, работающей в составе антенной решетки в двух частотных диапазонах. Простое использование одиночных вибраторных широкополосных излучателей не позволяет создать такую антенную решетку, так как существует взаимное влияние излучателей. Исследования показывают, что пренебрегать взаимным влиянием нельзя, т.к. это взаимодействие приводит к резкому рассогласованию излучателей с цепями питания, что приводит к уменьшению КПД антенной решетки, а иногда к эффекту «ослепления», т.е. полному прекращению излучения и приема электромагнитных волн (Антенны и устройства СВЧ - проектирование фазированных антенных решеток. B.C. Филипов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др. Под ред. Д.И. Воскресенского. 2-е изд. М. Радио и Связь, 1884 г., стр. 39). Для ослабления влияния взаимной связи между элементами:
- включают в фидерные линии вентили или циркуляторы, что уменьшает взаимовлияние;
- уменьшают связь между излучателями, например, с помощью экранирующих перегородок;
- применяют дополнительные цепи связи между фидерными линиями элементов для компенсации взаимных связей.
(Антенны УКВ, Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин часть 2, М Связь, 1977, с. 274.)
Однако использование таких методов приводит к значительному усложнению конструкции, росту массогабаритных показателей и стоимости антенной решетки. Кроме того, применение указанных методов не позволяет создать антенную решетку, работающую в двух диапазонах, так как вентили (циркуляторы), перегородки, дополнительные цепи связи между фидерными линиями являются резонансными устройствами, ограничивающими рабочий диапазон антенных решеток. Поэтому при создании антенных решеток, работающих в двух диапазонах частот, необходимо использовать двухдиапазонные (широкополосные) излучатели, в которых взаимное влияние не сказывается на их параметрах, в частности, на согласовании излучателей с цепями питания (на КСВ отдельного излучателя в составе антенной решетки).
Известен излучатель, взятый за отдаленный аналог заявляемого изобретения, выполненный в виде плоского вибратора, содержащего симметрирующее устройство, присоединенное к плечам вибратора, причем плечи вибратора выполнены в виде равнобедренных треугольников (Антенны УКВ, Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин часть 1, М Связь, 1977. Стр. 185). Симметрирующее устройство для такой антенны может иметь разное исполнение, например, в виде U-колена (Антенны, Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов М., «Энергия», 1975, стр. 338).
Данное устройство имеет малые габариты и небольшой вес, простую конструкцию и как следствие, низкую стоимость и высокую технологичность.
Однако это устройство имеет
- малый диапазон рабочих частот (ширина полосы составляет 34% при КСВН не более 1,5), что само по себе не позволяет использовать излучатель для создания антенных решеток, работающих в двух достаточно далеко разнесенных по частоте диапазонах;
- рассогласование излучателей с цепями питания в составе антенной решетки, что приводит к невозможности использования данного излучателя в качестве излучающего элемента в двухдиапазонной антенной решетке.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является излучатель, имеющий вид плоского широкополосного вибратора, содержащий плечи вибратора и симметрирующее устройство типа U-колена, присоединенное к плечам вибратора с помощью соединительной линии, состоящей из двух параллельных проводников, плечи вибратора выполнены в виде трапеции, у которой боковые стороны имеют разную длину, основания параллельны проводникам соединительной линии, длинная боковая сторона обращена к U-колену, проводник соединительной линии, имеет непосредственный гальванический контакт с плечом вибратора по всей длине короткого основания трапеции, причем конец проводника соединительной линии лежит на одной прямой с короткой боковой стороной трапеции, плоскость проводников соединительной линии лежит в одной плоскости с плоскостью плеч вибраторов (Пат. №2657091 МПК H01Q 9/28, H01Q 9/38).
Данное устройство имеет малые габариты и небольшой вес, простую конструкцию и как следствие, низкую стоимость и высокую технологичность, имеет широкую рабочую полосу частот (по уровню КСВН=1,5 47%, по уровню КСВН=2 порядка 53%).
Недостатком этого устройства является рассогласование излучателей с цепями питания в составе антенной решетки, вызванное взаимным влиянием излучателей, и как следствие, невозможность использования данного излучателя в качестве излучающего элемента в двухдиапазонной антенной решетке.
Технический результат предлагаемого технического решения - получение вибраторных излучателей специальной формы в качестве излучающих элементов в двухдиапазонной антенной решетке за счет улучшения согласования излучателей в составе антенной решетки при сохранении малых массогабаритных показателей и высокой технологичности.
Указанный технический результат достигается тем, что в излучателе, представляющем из себя плоский широкополосный вибратор, содержащий плечи вибратора, симметрирующее устройство типа U-колена, присоединенное к плечам вибратора с помощью соединительной линии, состоящей из двух параллельных проводников, плечи вибратора выполнены в виде трапеции, у которой боковые стороны имеют разную длину, основания параллельны проводникам соединительной линии, длинная боковая сторона обращена к U-колену, проводник соединительной линии имеет непосредственный гальванический контакт с плечом вибратора по всей длине короткого основания трапеции, причем в плечах вибратора выполнены отверстия, а конец проводника соединительной линии образует с короткой боковой стороной трапеции тупой угол.
Сравнение заявляемого устройства с известными показывает, что заявляемое устройство имеет следующие отличительные особенности:
- форма плеч вибратора (наличие отверстий в плечах вибратора, выполненных в виде трапеции);
- форма соединительной линии (конец проводника соединительной линии образует с короткой боковой стороной трапеции тупой угол).
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемого к нему чертежа, на котором изображено следующее.
На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - симметрирующее устройство;
2 - плечи вибратора;
3 - соединительные линии;
4 - конец проводника соединительной линии.
5 - отверстия.
Двухдиапазонный излучатель для антенной решетки содержит симметрирующее устройство 1 типа U-колена, присоединенное к плечам вибратора 2 с помощью соединительной линии 3, состоящей из двух параллельных проводников. Плечи вибратора 2 выполнены в виде трапеции, у которой боковые стороны имеют разную длину, длинная боковая сторона обращена к U-колену, а основания параллельны проводникам соединительной линии 3. Соединительная линия 3, имеет непосредственный гальванический контакт с плечом вибратора 2 по всей длине короткого основания трапеции, причем конец проводника 4 соединительной линии 3 образует с короткой боковой стороной трапеции тупой угол. Плечи вибратора 2 имеют отверстия 5. Плоскость проводников соединительной линии 3 лежит в одной плоскости с плоскостью плеч вибраторов 2.
Двухдиапазонный излучатель для антенной решетки работает следующим образом. СВЧ сигнал поступает на симметрирующее устройство 1 и разделяется на две равные части, которые по проводникам соединительной линии 3 в противофазе поступают на плечи вибратора 2. При этом плечи вибратора 2 возбуждаются синфазно токами одинаковой амплитуды. Выполнение плеч вибратора 2 в виде трапеции, причем боковые стороны трапеции имеют разную длину, длинная боковая сторона обращена к U-колену, а основания параллельны проводникам соединительной линии 3, выполнение соединительной линии 3 таким образом, что конец проводника 4 соединительной линии 3 образует с короткой боковой стороной трапеции тупой угол, а также наличие отверстий 5 в плечах вибратора 2 приводят к возникновению сложной картины токов, формирующих электромагнитное поле, в котором взаимное влияние излучателей мало сказывается на их параметрах, в частности, на согласовании излучателей с цепями питания в составе двухдиапазонной антенной решетки.
Использование плеч вибратора в виде плоской трапеции с отверстиями и проводников соединительной линии в виде плоских проводников, причем конец проводника соединительной линии образует с короткой боковой стороной трапеции тупой угол, а плоскость плоских проводников лежит в одной плоскости с плоскостью плеч вибраторов, позволяет получить антенную решетку с линейной поляризацией, работающую в двух диапазонах частот, достаточно далеко разнесенных по частоте, при сохранении малых массогабаритных показателей и высокой технологичности.
На дату подачи заявки был создан макет двухдиапазонного излучателя для фазированной антенной решетки в дециметровом диапазоне волн. Центральная частота второго частотного диапазона в 1,5 раза выше центральной частоты первого частотного диапазона. Плечи вибратора выполнены в виде плоской трапеции (толщина материала равна 0,5 мм), отношение длин боковых сторон трапеции равно 0,82, отношение длин оснований - 0,36, Симметрирующее устройство выполнено с использованием симметричной линии, толщина внутреннего проводника линии равна 0,5 мм. Отверстия в плечах вибратора имеют треугольную форму. Площадь треугольного отверстия составляет приблизительно 8% площади трапеции. Угол между соединительной линией 3 и короткой боковой стороной трапеции равен 155 град. Плоскость проводников соединительной линии лежит в одной плоскости с плоскостью трапеции.
Ширина полосы рабочих частот по уровню КСВ=2 антенной решетки, в которой использован данный излучатель составляет:
1 диапазон - 26%;
2 диапазон - 19%.
Двухдиапазонные излучатели совместно с делителями (сумматорами) системы питания антенной решетки могут быть выполнены на основе высокодобротной линии (Вольман В.И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств, 1982, М., «Радио и связь», стр. 103) с применением технологии химического травления, что еще более уменьшает стоимость и повышает технологичность изготовления.
Использование данного изобретения позволит создать двухдиапазонную антенную решетку за счет улучшения согласования излучателей в составе антенной решетки при сохранении малых массогабаритных показателей и высокой технологичности.