СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
ULTRA-WIDEBAND ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве сверхширокополосной антенны с несколькими видами поляризации: вертикальной, горизонтальной и круговой (эллиптической) правого и левого вращения.
Известны турникетные антенны (X.Мейнке, Ф.Гудлах. Радиотехнический справочник. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960 г., стр.339-342) [1].
Наиболее часто турникетные антенны конструируются в виде наборов вибраторов, питаемых со сдвигом фаз в 90°. Такие конструкции позволяют получить приемлемые технические параметры в ограниченной полосе частот. При попытке создать антенную систему (АС) с полосой пропускания до декады и несколькими видами поляризации возникают значительные конструктивные и технические трудности с обеспечением требуемых электрических параметров. Эти проблемы наиболее хорошо просматриваются на примере антенны Линденбада (RCA-REV, April 1939, стр.387-408) [2]. Главная проблема - это сведение к минимуму влияния раскрывов (апертур) одного элемента на другой и исключения взаимного влияния системы возбуждения каждого из вибраторов (элементов) друг на друга.
Другими словами, конструкция должна быть с развязанными каналами возбуждения и с отсутствием влияния полей апертур друг на друга.
л
0
ТЕМ рупор представляет собой двухпроводную АС бегущей волны продольного излучения. В типичной конструкции ТЕМ рупора две параллельные пластины расширяются в одной из плоскостей (электрической - Е, магнитной - Н), чтобы обеспечить плавное преобразование импеданса передающей линии к импедансу свободного пространства. ТЕМ рупор представляет согласующее устройство (трансформатор) между питающей линией (линией возбуждения) с волновым сопротивлением Z и свободным пространством с волновым сопротивлением Z=120π Ом. Если открытые боковые стороны ТЕМ рупора каким-либо образом нагрузить продольными, проводящими ребрами, то он обеспечивает частотно-независимое функционирование в полосе частот до 30:1. Структура поля ТЕМ волны в направляющей системе не обладает дисперсией и по своим свойствам близка к структуре поля свободного пространства (Р.Кюн. Микроволновые антенны. - Л.: Судостроение, 1967 г., стр.209-210, 227-229 [3]; С.Щелкунов, Г.Фрис. Антенны. - М.: сов. Радио, 1955, стр.104-114, 120-124, 521-525 [4]; Дж.Слеттер, Передача ультракоротких волн. - ОГИЗ, 1946, стр.108-114, 204-221, 231-234 [5]). Главным недостатком ТЕМ рупора является его громоздкость, ограниченное число видов диаграмм направленности (далее ДН) - широкая в одной плоскости и узкая в другой - (лопатообразная) и ограниченное число видов поляризации - только линейная.
<mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>Θ</mi><mrow><mn>0.5</mn><mi>p</mi></mrow><mi>E</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>A</mi><mo>×</mo><mi>λ</mi><mo>/</mo><mi>α</mi></mrow>
<mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>Θ</mi><mrow><mn>0.5</mn></mrow><mi>H</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>B</mi><mo>×</mo><msqrt><mrow><mi>λ</mi><mo>.</mo><mo>/</mo><mi>ℓ</mi><mn>..</mn></mrow></msqrt></mrow>
Известны технические решения, описанные в патентах РФ №2052877, 2052878 [6], 2407118 [7], где описаны сверхширокополосные антенные решетки (АР) в виде плоского свернутого (укороченного) рупора, так называемый «FH»-рупор (Fold Horn). Продольное укорочение FH-рупора достигается посредством формирования многоуровневого раскрыва, в котором точки электрического контакта «О», образующих рупора предыдущего уровня «N-1», находятся внутри апертуры рупора следующего «N» уровня и влияют только на формирование структуры поля (амплитудное распределение) апертуры только этого «N» уровня. Такие плоские структуры формируют приемлемые ДН с линейной поляризацией, широкие в одной плоскости и узкие в другой. Ширина ДН в плоскости апертуры (плоскости Е) может быть оценена как
ортогональной плоскости -
, где коэффициенты пропорциональности А=(50-65), В=(75-108) и зависят от линейного размера апертуры - «α» и пространственной протяженности - «ℓ».
Широкополосная антенная решетка по патенту РФ №2407118 [7] принята за прототип.
Необходимо отметить, что подобные структуры в электрической плоскости (плоскости Е) ведут себя подобно синфазным АР с параллельно включенными элементами, а в ортогональной плоскости (плоскости Н) - как АР с последовательно включенными элементами. Основным недостатком таких конструкций (структур) является ограниченное число видов ДН, широкая в одной плоскости и узкая в другой - «лопатообразная» и поляризация - только линейная.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является разработка сверхширокополосной АР с любой формой ДН (от «лопатообразной» до «игольчатой») и с любым видом поляризации и даже одновременно с несколькими видами поляризации: линейной - вертикальной и горизонтальной, круговой (эллиптической) - правого и левого вращения.
Это достигается тем, что сверхширокополосная антенная решетка, включающая диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнен излучающий раскрыв, образованный из плоских рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, отличается тем, что сверхширокополосная антенная решетка образована двумя электрически идентичными диэлектрическими основами, встроенными друг в друга вдоль направления излучения таким образом, что образуется ортогональная конструкция.
Возбуждение каждой диэлектрической основы осуществляется с фазовым сдвигом в 90°.
Представленные чертежи поясняют суть предлагаемого устройства.
На фиг.1 изображена антенная решетка с двухуровневой апертурой, исполненная как диэлектрическая основа с металлизированными слоями (плоская плата) с образующими в виде металлических прутков;
На фиг.2 представлена конструкция из двух ортогонально встроенных друг в друга диэлектрических основ (плоских плат), формирующих плоскую апертуру, перпендикулярную направлению излучения;
На фиг.3 представлено гибридное устройство возбуждения, посредством которого обеспечивается формирование требуемых видов поляризации;
На фиг.4 изображены расчетные ДН двухуровневой антенной решетки в плоскости азимута (горизонтальная плоскость), в плоскости угла места (вертикальная плоскость) и трехмерная (пространственная) ДН.
На фиг.1, 2, 3 обозначены:
1 - образующие плоских рупоров, исполненные в виде металлических проводников (прутков), которые обеспечивают контакт с токонесущей жилой системы возбуждения;
2 - образующие плоских рупоров, исполненные в виде металлических проводников (прутков), которые обеспечивают контакт с экранной стороной плоской платы;
3 - плоский рупор нулевого «N-1» уровня;
4 - плоский рупор первого «N» уровня;
5 - пазы типа «ласточкин хвост», выполненные на оси симметрии каждой плоской платы, в направлении оси излучения, обеспечивающие ортогональное встраивание плат друг в друга;
6 - регулируемая линия задержки, фазовращатель;
О - точка соединения (электрического контакта) образующих 1, 2 рупоров соответствующих уровней.
Конструкция каждой из плоских плат имеет самостоятельные (независимые) системы возбуждения, которые не оказывают друг на друга никакого влияния [6], [7]. Поскольку платы расположены ортогонально, то электромагнитное поле в апертуре каждой из них также не оказывает никакого влияния друг на друга. Значит, система на фиг.2 имеет две линейные поляризации, которые перпендикулярны друг другу и могут быть сориентированы в пространстве как вертикальная и горизонтальная. Для получения круговой поляризации правого или левого вращения система возбуждения каждой из плат должна иметь фазовый (временной) сдвиг друг относительно друга в 0,5π, что относительно просто может быть реализовано посредством регулируемой линии задержки (фазовращателя) 6.
Таким образом, предложенная конструкция решает все перечисленные выше проблемы, связанные с турникетными антеннами.
а
Возбуждение плат вертикальной и горизонтальной поляризации (диэлектрические основы с металлизированными слоями) посредством гибридного устройства (фиг.3 «») позволяет одновременно реализовать два вида круговой поляризации правого и левого вращения, а посредством гибридного устройства (фиг.3 «б») получить одновременно четыре вида поляризации - вертикальную, горизонтальную и круговые правого и левого вращения.
Кроме того, из фиг.2 следует, что внешние (наружные) образующие 1, 2 каждой из ортогональных плоских плат выступают в качестве продольных проводящих ребер, которые расположены над открытыми боковыми сторонами направляющей системы (плоского рупора). Взаимодействие каждого из этих ребер с полем ортогональной платы характеризуется распределенной реактивной емкостью, которая обеспечивает поддержание постоянного входного импеданса системы в широкой полосе частот.
а
Поскольку плоские платы вертикальной и горизонтальной поляризации идентичны по электрическим параметрам и только повернуты относительно друг друга на 90°, то результирующая ДН предложенной конструкции есть произведение ДН каждой из плоских структур с учетом этого поворота. В силу отмеченных особенностей свойств плоских АР это приводит к «обострению» результирующей ДН, увеличению ее направленных свойств. Этим объясняется и симметрия ДН не только в сечении главных плоскостей (фиг.4, б, в), но и в диагональных плоскостях, что наглядно демонстрирует пространственная ДН на фиг.4, .
Из изложенного становится очевидно, что цели, поставленные при разработке данного технического решения, полностью решены предлагаемой конструкцией антенной решетки.