ОБЛУЧАТЕЛЬ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ ЗЕРКАЛЬНЫХ И ЛИНЗОВЫХ АНТЕНН

Полезная модель относится к радиотехнике, в частности к технике СВЧ-антенн, и может быть использована в качестве первичного облучателя большой мощности зеркальных и линзовых антенн, преимущественно крупногабаритных фазированных антенных решеток (ФАР) с оптическим возбуждением.
10
Пирамидальные рупорные излучатели, обладающие такими качествами, как простота конструкции, широкополосность, высокий к.п.д., применяются как в виде самостоятельных антенн, так и в качестве первичных облучателей зеркальных и линзовых антенн. При этом равенство ширин диаграмм направленности (ДН) рупора в горизонтальной и вертикальной плоскостях весьма важно при его использовании в качестве облучателя. Однако, существенным недостатком пирамидального рупорного облучателя является то, что вследствие разных законов распределения интенсивности поля в раскрыве, например, для волны типа Н - равномерного для Е-плоскости и косинусоидального для Н-плоскости, ширины ДН рупора в этих плоскостях различны [1]. Кроме того, боковые лепестки ДН рупора в Е-плоскости, что создает значительный «перелив» энергии за раскрыв облучаемой антенны, в результате чего снижаются коэффициент использования поверхности (КИП) и коэффициент усиления (КУ) антенны. Для устранения указанных недостатков применяются специальные меры, которые, как правило, значительно усложняют конструкцию [например, 2].
Наиболее близким к заявленной полезной модели является суммарно-разностный облучатель для моноимпульсной антенны, содержащий малогабаритный суммарно-разностный узел возбуждения и пирамидальный рупор, разделенный пополам в Е - плоскости перегородкой. Пирамидальный рупор имеет различную длину в Е- и Н- плоскостях и снабжен настроечным элементом в виде двух шаровых сегментов, установленных один над другим на перегородке с возможностью перемещения вдоль ее продольной оси, при этом упомянутая перегородка выступает за продольный габарит рупора и имеет симметричную относительно своей продольной оси форму со ступенчатым уменьшением ширины от начала к концу выступающей части [3].
Причины, препятствующие достижению указанного ниже технического результата при использовании известного пирамидального рупора, принятого за прототип полезной модели, заключаются в следующем. Рупор не рассчитан на пропускание высокого уровня мощности. Согласование (минимальный КСВ) достигается в узком диапазоне частот (± 3%) за счет относительно сложной конструкции: разные длины рупора в Е - и Н -
плоскостях; настроечный элемент, расположенный на перегородке с возможностью передвижения по ней; зависимость величины КСВ от длины и конфигурации перегородки. Наличие перегородки в рупоре не снижает уровня боковых лепестков в Е-плоскости.
Рупорные облучатели зеркальных и линзовых антенн, в том числе ФАР, имеют, как правило, небольшие площади поперечного сечения, поэтому их важной эксплуатационной характеристикой является электрическая прочность. Самым простым и наиболее распространенным способом обеспечения электрической прочности волноводного антенно-фидерного тракта, заполненного воздухом, является повышение давления в тракте. Это достигается с помощью системы наддува, в состав которой обычно включают помпу или компрессор, элементы контроля и автоматического управления [4]. Поскольку рупорный облучатель является оконечным устройством тракта, то для повышения электрической прочности, особенно рупорного облучателя с расположенными в его полости корректирующими элементами, он должен быть герметичным.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является разработка и создание герметичного, электропрочного облучателя большой мощности для зеркальных и линзовых антенн, обладающего равновеликими диаграммами направленности в обеих плоскостях и низким уровнем боковых лепестков в Е-плоскости при существенном упрощении конструкции устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный пирамидальный рупор, содержащий проводящую перегородку, плоскость которой перпендикулярна вектору Е, согласно полезной модели введены дополнительные проводящие перегородки, установленные перпендикулярно вектору Е, при этом проводящие перегородки взяты в четном количестве и они расположены симметрично по обе стороны от продольной оси пирамидального рупора так, что образуют центральную и боковые секции; раскрыв пирамидального рупора выполнен с фланцем, на котором смонтировано устройство для герметизации рупора, выполненное в виде плоских внутренней и внешней диэлектрических пластин с малым tgδ и толщиной, равной половине длины волны в диэлектрике, расположенных параллельно на расстоянии одна от другой, равном четверти длины волны в среде «воздух-диэлектрик», при этом внутренняя диэлектрическая пластина через герметизирующую прокладку с помощью металлической рамки и элементов крепления плотно прижата к фланцу пирамидального рупора, а внешняя диэлектрическая пластина жестко прикреплена к металлической рамке и имеет механический контакт с внутренней диэлектрической пластиной.
Наружные кромки проводящих перегородок расположены в плоскости раскрыва пирамидального рупора.
Линейные размеры раскрывов боковых секций пирамидального рупора определяются, исходя из расчетной величины уровня боковых лепестков и ширины диаграммы направленности облучателя в Е-плоскости.
Внутренняя диэлектрическая пластина плотно прижата к фланцу пирамидального рупора при помощи элементов крепления, расстояния между которыми выбраны из условия минимизации отражения мощности от кромок раскрыва и ее утечки за пределы раскрыва облучателя.
В качестве элементов крепления использованы болты, при этом расстояния между центрами отверстий под них во фланце рупора и между центрами этих отверстий и кромками раскрыва рупора равны половине дины волны в диэлектрике.
На внешней поверхности внутренней диэлектрической пластины выполнены продольные, перпендикулярные вектору Е, диэлектрические ребра жесткости или штыри высотой, равной четверти длины волны в среде «воздух-диэлектрик».
Внешняя диэлектрическая пластина по продольной оси, перпендикулярной вектору Е, в поперечном сечении имеет П-образную форму и при помощи элементов крепления, например, болтов, проходящих сквозь отверстия в выступах-башмаках, укреплена на металлической рамке, опираясь своей внутренней поверхностью на диэлектрические ребра жесткости или диэлектрические штыри на внешней поверхности внутренней диэлектрической пластины.
Линейный размер внутренней и внешней диэлектрических пластин по продольной оси, параллельной вектору Е, выбран одинаковым или меньшим линейного раскрыва пирамидального рупора по этой оси на величину, определяемую из условия обеспечения расчетного фазового распределения поля в раскрыве рупора.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - конструктивная схема пятисекционного рупорного облучателя, вид сбоку; фиг.2а - вид пятисекционного рупорного облучателя со стороны раскрыва. фиг.2б - распределение напряженности электрического поля в раскрыве пятисекционного рупорного облучателя в Е-плоскости; фиг.3 - конструкция устройства для герметизации (герметизатора) рупорного облучателя, в частности, пятисекционного (грани диэлектрических пластин в разрезе не заштрихованы для лучшей наглядности); фиг.4 - расстояния между элементами крепления герметизатора.
Облучатель большой мощности для зеркальных и линзовых антенн (фиг.1) содержит пирамидальный рупор 1, в котором размещено четное количество установленных перпендикулярно вектору Е проводящих перегородок 2, расположенных симметрично по обе стороны от оси пирамидального рупора 1 так, что они образуют центральную и боковые секции (фиг.2а). В примере осуществления полезной модели использованы четыре
3
2
4
1
5
1
3
1
4
3
2
3
проводящие перегородки, образующие пять секций: центральную b, две средние боковые b, b и две крайние боковые b, b. Наружные кромки проводящих перегородок 2 расположены в плоскости раскрыва пирамидального рупора 1. Между боковыми стенками пирамидального рупора 1 и внутренними кромками проводящих перегородок 2, имеются узкие зазоры с, с и d, d, а между поверхностью перегородок, образующих центральную секцию b, и задними кромками перегородок, образующих средние боковые секции, - узкие зазоры d, d (фиг.1) для прохождения СВЧ-энергии в секции. Размеры раскрыва пятисекционного облучателя, его длина, геометрия отдельных секций определяются апертурным методом [5] с учетом конфигурации и размеров облучаемой антенны, исходя из условия получения максимального апертурного КИП и расчетной величины уровня боковых лепестков ДН облучателя в Е-плоскости.
1
2
3
4
5
2
2
2
2
2
Квадраты амплитуд поля А , А , А , А , А  в раскрывах секций пятисекционного пирамидального рупора определяются следующими соотношениями:
Ni
3
2
Квадраты нормированных амплитуд поля А относительно квадрата амплитуды средней секции А  равны:
1
2
3
4
5
1
2
3
4
1
2
3
где b, b, b, b, b, d, d, d, d, с, с, с -геометрические размеры пятисекционного пирамидального рупора.
1
5
2
4
3
1
3
2
1
4
2
3
Длина облучателя l выбирается из условия получения квазисинфазного поля в его раскрыве. В приведенном примере пятисекционного пирамидального рупора (фиг.1, фиг.2а) при его длине l=170 мм получены следующие расчетные размеры облучателя: раскрыв в Е-плоскости b=73,1 мм; раскрыв в Н-плоскости а=74 мм; раскрывы секций: крайних боковых b=b=10,7 мм; средних боковых b=b7,1 мм; центральной b=35,5 мм; расстояния между внутренними кромками проводящих перегородок и стенками рупора: c=с=2,2 мм; с=20,7 мм; d=d=1,3 мм; d=d=5,7 мм; толщина проводящих
3
2
4
1
5
перегородок δ=0,5 мм. Благодаря наличию перпендикулярных вектору Е проводящих перегородок, разделяющих пирамидальный рупор на секции определенных размеров, в Е-плоскости создается спадающее от центра к периферии ступенчатое распределение поля. Нормированное ступенчатое распределение поля в раскрыве пятисекционного пирамидального рупорного облучателя в Е-плоскости приведено на фиг.2б. Такое распределение обусловлено тем, что через центральную секцию b проходит 0,827 от всей мощности Р, подводимой к облучателю, через средние боковые секции b, b - по 0,07Р, через крайние боковые секции b, b - по 0,0165Р. Пирамидальный рупор, рассчитанный по приведенным выше формулам, имеет практически одинаковые ДН и уровни боковых лепестков как в Н -, так и Е-плоскости, что снижает «перелив» энергии за раскрыв облучаемой антенны, и, следовательно, увеличивает КИП и КУ. Кроме того, диапазонность и согласование (КСВ) пирамидального рупора не ухудшаются, т.к. проводящие перегородки расположены перпендикулярно вектору Е.
0
0
Устройство для герметизации пирамидального рупорного облучателя (фиг.3) содержит внутреннюю 3 и внешнюю 4 плоские диэлектрические пластины, которые, с целью снижения потерь электромагнитной энергии в устройстве, выполнены из материала с малым tgδ, в качестве которого может быть использован, например фторопласт-4 (тефлон). Толщина этих диэлектрических пластин выбрана равной Λ/2, где Λ - длина волны в диэлектрике. Внутренняя 3 и внешняя 4 диэлектрические пластины расположены параллельно друг другу на расстоянии, равном λ/4, где λ - длина волны в воздухе. При таких толщине диэлектрических пластин и расстояния между ними существенно снижается коэффициент отражения электромагнитных волн от устройства в диапазоне частот. Для обеспечения необходимой механической прочности наружная поверхность внутренней диэлектрической пластины 3 снабжена диэлектрическими ребрами жесткости или диэлектрическими штырями (на чертеже не показано). Высота диэлектрических ребер жесткости 5 или штырей равна λ/4, где λ - дина волны в среде «воздух-диэлектрик». Диэлектрические ребра жесткости 5 расположены перпендикулярно Е-плоскости рупорного облучателя 1. Внутренняя диэлектрическая пластина 3 через герметизирующую прокладку 6 с помощью металлической рамки 7 и элементов крепления 8 плотно прижата к фланцу 9 пирамидального рупора 1. В качестве элементов крепления 8 могут быть использованы, например болты со специальными гайками. При этом, для минимизации отражения мощности от кромок раскрыва рупора 1 в местах крепления и устранения ее утечки за пределы раскрыва (фиг.4), расстояния m между центрами элементов крепления 8, например отверстий под болты во фланце 9 рупора 1, и расстояния n между центрами этих отверстий и кромками раскрыва рупора 1 равны Λ/2.
Внешняя диэлектрическая пластина 4 (фиг.3) по продольной оси, перпендикулярной
2
вектору Е, в поперечном сечении имеет П-образную форму и при помощи элементов крепления, например, болтов, проходящих сквозь отверстия в выступах-башмаках 10, укреплена на металлической рамке 7, опираясь своей внутренней поверхностью на диэлектрические ребра жесткости 5 или диэлектрические штыри на внешней поверхности внутренней диэлектрической пластины 3. Механический контакт диэлектрических пластин 3, 4 увеличивает жесткость и прочность устройства, что позволяет ему надежно выдерживать избыточное давление воздуха в облучателе порядка 5-6 кгс/см и обеспечить тем самым требуемую его электропрочность. За счет выбора толщин диэлектрических пластин и расстояния между ними герметизатор хорошо согласован, не ухудшает диапазонность и КСВ облучателя.
Линейный размер внутренней 3 и внешней 4 диэлектрических пластин герметизирующего устройства по продольной оси, параллельной вектору Е, как правило, одинаковый, т.е. их площади равны. Однако, для оптимизации ДН рупорного облучателя, например при его недостаточной продольной длине, линейный размер внешней диэлектрической пластины 4 по оси, параллельной вектору Е, может быть выбран, как показано на фиг.3, меньшим линейного раскрыва пирамидального рупора по этой оси на величину, определяемую из условия обеспечения расчетного фазового распределения поля в раскрыве рупора 1. В этом случае устройство для герметизации облучателя может быть использовано как фазовый корректор.
Использование полезной модели позволяет создавать малогабаритные, электропрочные, простые по конструкции облучатели большой мощности для зеркальных и линзовых антенн, обладающие равновеликими ДН с низким уровнем боковых лепестков в обеих плоскостях.
Источники информации:
1. Лавров А.С., Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов. М., «Сов. радио», 1974, стр.210-211.
2. SU 1061200, H 01 Q 13/02, 1983.
3. RU 2109377, H 01 Q 25/02, 1998.
4. Райцын Д.Г. Электрическая прочность СВЧ устройств. М., «Сов. радио», 1977, стр.135-143.
5. Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Под ред. Г.З.Айзенберга. В 2-х ч. Ч.1. М., «Связь». 1977, стр.240-353.