СИММЕТРИЧНЫЙ ВИБРАТОР
DIPOLE ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для построения фазированных антенных решеток из состава антенно-фидерных устройств систем радиосвязи и радиолокационных устройств.
0
Известен симметричный вибраторный излучатель [1 - Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д.И. Воскресенского, М., «Радиотехника», 2003, рис.2.6.1а], имеющий тонкие цилиндрические плечи с диаметром d, закрепленные на симметрирующем устройстве под углом 90°, при этом d<<λ,
0
где λ - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочего диапазона частот.
Недостатком этого излучателя являются:
- узкая относительная полоса рабочих частот, равная 2Δf/fo,
где 2Δf - полоса, пропускания,
fo - центральная частота рабочего диапазона, которая составляет не более 4…6%;
- узкая ширина диаграммы направленности (ДН) [1 - стр.222].
0
Известен симметричный вибратор [1 - рис.2.6.1б], плечи которого выполнены из плоских пластин и крепятся под углом 90° к внешним проводникам симметрирующего устройства, выполненного в виде трехпроводной плоской воздушной линии передачи высотой λ/4 и шириной, равной ширине плеч вибратора, нижние концы внешних проводников симметрирующего устройства закреплены на плоском проводящем экране, верхняя часть центрального плоского проводника симметрирующего устройства соединена с одним из плеч вибратора, а нижняя его часть имеет экспоненциальный переход для соединения с центральным проводником коаксиальной линии передачи, оплетка которого соединена с проводящим экраном, боковые края плеч вибратора загнуты по направлению к экрану, а боковые края внешних проводников симметрирующего устройства загнуты наружу.
К недостаткам аналога следует отнести:
- узкая относительная полоса рабочих частот, составляющая не более 4…6% от центральной частоты рабочего диапазона fo;
- недостаточная ширина ДН, что не обеспечивает построение на его основе антенных решеток с широкоугольным сканированием луча ДН. Так, конструкция аналога обеспечивает по уровню минус 3 дБ ширину ДН не более 80° [2 - Лифшиц М.Ю. Антенны. - М.: Вузовская книга. 2009, стр.37], поэтому использование аналога в антенной решетке обеспечит углы сканирования антенной решетки не более ±40°. Однако для современных антенных решеток этого недостаточно, требуются углы сканирования не менее ±45°. Для реализации такой антенной решетки ширина ДН вибратора должна быть не менее 90°;
- исполнение из тонких металлических полос, что не обеспечивает достаточной механической прочности при использовании его в условиях вибрации;
- отсутствие возможности оперативной установки вибратора - вибратор закреплен на проводящем экране неразъемно, а сигнал подается через соединенный пайкой коаксиальный кабель.
Еще один недостаток известного решения был выявлен [3 - Мейлукс Р.Дж. Теория и техника фазированных антенных решеток - ТИИЭР, 1982, т.7, №3, с.5…62], когда при моделировании бесконечной фазированной антенной решетки на основе прямых вибраторов, аналогичных этому вибратору, установленных параллельно плоскому экрану, был обнаружен эффект ослепления.
Наиболее близким по сущности к изобретению является симметричный вибратор [4 - патент РФ 2464681 от 20.10.12 г.], взятый за прототип, предназначенный для установки на плоском металлическом экране, в котором плечи выполнены из плоских пластин, прикрепленных к внешним проводникам симметрирующего устройства, выполненного в виде трехпроводной плоской воздушной линии передачи, внешние проводники которой имеют такую же ширину, как плечи вибратора, верхняя часть центрального проводника симметрирующего устройства соединена с одним из плеч вибратора, а нижняя его часть является входом вибратора и имеет сужающийся переход для подключения к внешней линии передачи сигнала, плечи вибратора выполнены как продолжение внешних проводников трехпроводной линии передачи и имеют наклон 45° в направлении экрана, нижние части внешних проводников симметрирующего устройства с наружной стороны образуют фланец с отверстием между внутренними поверхностями этих проводников и продолговатыми отверстиями для крепления вибратора к плоскому экрану.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- недостаточно точное позиционирование за счет использования продолговатых отверстий для крепления вибратора к плоскому экрану, при этом возможно смещение реального положения вибратора на антенном полотне относительно расчетного значения;
- соединение центрального проводника симметрирующего устройства с линией передачи выполнено с помощью пайки, но пайка производится к суживающемуся переходу в нижней части центрального проводника, что не обеспечивает повторяемость параметров соединения для разных вибраторов;
- избыточное число крепежных винтов - для установки прототипа требуется четыре винта, что усложняет установку.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение точности и оперативности установки вибратора.
Для достижения указанной цели предлагается симметричный вибратор, в котором плечи выполнены из плоских пластин, прикрепленных к внешним проводникам симметрирующего устройства, выполненного в виде трехпроводной плоской воздушной линии передачи, внешние проводники которой имеют такую же ширину, как плечи вибратора, верхняя часть центрального проводника симметрирующего устройства соединена с одним из плеч вибратора, а нижняя его часть является входом вибратора, плечи вибратора выполнены как продолжение внешних проводников трехпроводной линии передачи и имеют наклон 45° в направлении экрана, нижние части внешних проводников симметрирующего устройства с наружной стороны образуют фланец с отверстием между внутренними поверхностями этих проводников и отверстиями для крепления вибратора к плоскому экрану.
Согласно изобретению боковые края фланца загнуты под прямым углом в сторону экрана, при этом внешние плоскости загнутых боковых краев фланца являются продолжением плоскостей боковых поверхностей внешних проводников симметрирующего устройства, для крепления вибратора к плоскому экрану используют два отверстия, расположенные на продольной оси симметрии вибратора, а в нижней части центрального проводника симметрирующего устройства выполнено утолщение с прорезью для соединения с линией передачи сигнала.
Проведенный сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:
- крепление прототипа к плоскому экрану и его позиционирование на экране выполняются винтами с использованием четырех отверстий, что не может обеспечить установку вибратора точно в расчетное положение и вызывает искажение характеристик антенного устройства в сборе относительно расчетных. Это особенно нежелательно при построении многоэлементных антенных решеток. В предлагаемом устройстве соединение осуществляется с помощью установки загнутых под прямым углом боковых краев фланца в соответствующее отверстие в экране, что улучшает позиционирование предлагаемого устройства на антенном полотне в соответствии с расчетными значениями и сокращает время установки;
- соединение центрального проводника симметрирующего устройства с линией передачи в прототипе выполнено с помощью пайки, которая производится к боковой поверхности суживающегося перехода в нижней части центрального проводника, что не обеспечивает повторяемость параметров соединения для разных вибраторов и является нежелательным при построении антенных решеток. В предлагаемом устройстве для улучшения соединения с линией передачи в нижней части центрального проводника выполнено утолщение с прорезью, упрощающее операцию пайки при соединении центрального проводника вибратора с линией передачи за счет фиксации проводника линии передачи в прорези.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого симметричного вибратора из литературы не известны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На чертеже приведен внешний вид симметричного вибратора.
Симметричный вибратор состоит из левого 1 и правого 2 плечей, симметрирующего устройства, выполненного в виде трехпроводной плоской воздушной линии передачи, содержащей левый 3, правый 4 внешние проводники, имеющие такую же ширину, как плечи вибратора 1, 2, и центральный проводник 5. Верхняя часть центрального проводника 5 соединена с одним из плечей - на фиг. показано соединение с левым плечом 1. Плечи вибратора выполнены как продолжение внешних проводников трехпроводной линии передачи 3 и 4 соответственно и имеют наклон 45° в направлении экрана. Нижние части левого 3 и правого 4 внешних проводников трехпроводной плоской воздушной линии передачи с наружной стороны образуют фланец 6 с отверстиями 7, расположенными на продольной оси симметрии вибратора и обеспечивающими крепление симметричного вибратора к плоскому металлическому экрану (не показан). Фланец 6 имеет отверстие 8, через которое осуществляется соединение центрального проводника 5 симметрирующего устройства с линией передачи сигнала (не показана).
Нижняя часть центрального проводника 5 симметрирующего устройства является входом симметричного вибратора и имеет утолщение 9 с прорезью для соединения с линией передачи сигнала (не показана).
Фланец 6 имеет загнутые под прямым углом в направлении экрана боковые края 10. При этом внешние плоскости загнутых боковых краев 10 фланца 6 являются продолжением плоскостей боковых поверхностей внешних проводников 3 и 4 симметрирующего устройства.
Симметричный вибратор может использоваться в двух режимах работы в зависимости от режима работы антенной решетки, в которой он установлен:
- в режиме передачи симметричный вибратор возбуждается сигналом, поступающим на его вход по внешней фидерной линии от аппаратуры передачи. Форма и направление максимума сформированной ДН антенной решетки определяются амплитудными и фазовыми соотношениями сигналов, подаваемых на симметричные вибраторы [1 - стр.29];
- в режиме приема симметричный вибратор возбуждается сигналом, поступающим на него из эфира, далее этот сигнал передается по внешней фидерной линии для дальнейшей обработки на аппаратуру приема. Форма и направление максимума сформированной ДН антенной решетки определяются амплитудными и фазовыми соотношениями, установленными в каналах аппаратуры приема.
Симметричный вибратор выполнен из дюралюминия методом фрезерования или литья и представляет собой единую конструкцию, что обеспечивает его высокую вибропрочность.
Расчетная относительная полоса рабочих частот составляет не менее 10%, расчетная ширина ДН в E-плоскости составляет 92°, а в H-плоскости - 100°. Таким образом, предлагаемый симметричный вибратор может быть использован для построения антенных решеток с широкоугольным сканированием луча ДН.
Наличие у предлагаемого симметричного вибратора фланца 6 с загнутыми под прямым углом боковыми краями 10 обеспечивает точное позиционирование вибратора путем их установки в соответствующее отверстие в экране, а крепление осуществляется винтами с использованием двух отверстий 7. В отличие от этого в прототипе соединение с экраном выполняется винтами с использованием четырех отверстий, что затрудняет установку вибратора точно в расчетное положение и может вызвать искажение характеристик антенной решетки с такими вибраторами относительно расчетных.
Для улучшения соединения предлагаемого симметричного вибратора с линией передачи в нижней части центрального проводника выполнено утолщение 9 с прорезью. Это обеспечивает упрощение операции пайки при соединении центрального проводника 5 вибратора с линией передачи, в то время как в прототипе соединение центрального проводника симметрирующего устройства с линией передачи выполняется с помощью пайки, которая производится к боковой поверхности суживающегося перехода в нижней части центрального проводника, что не обеспечивает повторяемость параметров соединения для разных вибраторов и является особенно нежелательным при построении антенных решеток.
Проведенное электромагнитное моделирование антенной решетки, использующей излучатели, выполненные на основе предлагаемого симметричного вибратора, показало отсутствие эффекта «ослепления» в секторе углов ±45°.
Для измерения параметров предлагаемого устройства был изготовлен макет, экспериментально измеренные характеристики подтверждают расчетные данные.