Сверхширокополосная рупорная антенна
ULTRA-BROADBAND HORN ANTENNA

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области широкополосных и сверхширокополосных рупорных антенн, выполненных на основе двухгребневых (Н-образного сечения) прямоугольных или круглых волноводов. Уровень техники
Из уровня техники известна пирамидальная рупорная антенна Н-образного сечения, статья «Исследование излучающих свойств пирамидальной рупорной антенны Н-образного сечения» / Е.Л. Варенцов [и др.], ж. «Антенны», выпуск 7 (158), 2010 [1]. Антенна содержит пирамидальный рупор Н-образного сечения и, подключенный к нему коаксиально-волноводный переход, выполненный из отрезка волновода Н-образного сечения и коаксиального разъема, установленного на его широкой стенке и поперечно подключенного центральным проводником к приливу дальнего гребня на определенном расстоянии от короткозамыкающей задней стенки упомянутого волновода.
Недостатками аналога являются: недостаточная широкополосность (в соответствии с текстом [1] (стр. 36) «полученная полоса частот при КСВ=2,5 3,3-15,2 ГГц»), недостаточное согласование («КСВ=2,5»), большая неравномерность графика частотной зависимости коэффициента усиления антенны (в соответствии с рис. 12 [1] (стр. 37) измеренная неравномерность не менее 4 дБ).
Одной из причин недостаточной широкополосности, недостаточного согласования КСВ (КСВ - коэффициент стоячей волны) и большой неравномерности графика частотной зависимости коэффициента усиления рассматриваемой антенны, как и ряда других аналогичных отечественных и зарубежных антенн, приведенных в книге «Линии передачи сантиметровых волн». Пер. с англ. Г.А. Ремеза. - М.: Изд-во «Сов. Радио», 1951, стр. 366-368 [2], по мнению автора, является то, что симметричная конструкция пирамидального рупора Н-образного сечения возбуждается несимметричным высокочастотным (ВЧ) током.
Второй причиной недостаточной широкополосности, недостаточного согласования (КСВ) и большой неравномерности графика частотной зависимости коэффициента усиления рассматриваемой антенны, по мнению автора, является то, что широко применяемыми в антеннах поперечными устройствами возбуждения формируются в щели между гребнями пирамидального рупора две волны. При этом волна, распространяющаяся к задней короткозамыкающей стенке волновода, отразившись от нее, суммируется с основной волной (распространяющейся к раскрыву антенны) не синфазно из-за разных частотных набегов фазы рабочих сигналов.
Примечание. Известен сложный и дорогой, не всегда удачный способ расчета и выполнения ступенчатых задних короткозамыкающих объемных стенок волноводов и рефлекторов антенн, на основе которого разработаны и изготавливаются для отдельных участков диапазона частот зарубежные широкополосные антенны HF-906 (компания ROHDE&SCHWARZ GmbH&Co.KG) и GP2000-281 (итальянского производства).
Также из уровня техники известна сверхширокополосная рупорная гребневая антенна (Сверхширокополосная рупорная гребневая антенна с частичным диэлектрическим заполнением / К.И. Кисиленко, Е.П. Тимофеев, ж. «Антенны», вып. 7 (239), 2017 [3]). Антенна содержит: металлический единый рупор с двумя одинаковыми (симметричными) металлическими гребнями и коаксиальным разъемом, установленным на его узком конце; две диэлектрические линзы; два поглотителя волн высших типов и согласующее устройство, выполненное на двусторонней печатной плате, соединенное металлизацией с корпусом рупора, а входным полоском с центральным проводником коаксиального разъема.
К недостаткам этого устройства относятся: недостаточная широкополосность (это следует из графика измеренных значений зависимости коэффициента усиления антенны от частоты, представленного на рис. 8 [2]); недостаточное согласование (в соответствии с графиком измеренных значений КСВ, приведенного на рис. 7.1 [2], даже в узкой полосе частот от 2 до 8 ГГц, КСВ не менее 2,5); большая неравномерность графика зависимости коэффициента усиления антенны от частоты (из графика зависимости коэффициента усиления антенны от частоты, представленного на рис. 8 [2], видно, что даже в узкой полосе частот от 2 до 8 ГГц неравномерность не менее 5 дБ).
Одной из причин недостаточной широкополосности, недостаточного согласования и большой неравномерности графика зависимости коэффициента усиления антенны от частоты является, по мнению автора, то, что симметричная конструкция единого рупора Н-образного сечения возбуждается несимметричным ВЧ током. Отметим, что в материалах статьи на сверхширокополосную рупорную гребневую антенну указано, что она (антенна) возбуждается через несимметричное согласующее устройство «на двухсторонней печатной плате (диэлектрическая подложка с металлизацией)». При этом конкретно не указано, как оно выполнено и как подключено к двум симметричным металлическим гребням единого рупора.
В статье «Широкополосная рупорная гребневая антенна» / Е.П. Тимофеев [и др.]. Ж. «Вопросы радиоэлектроники», серия РЛТ, выпуск 1, 2013 [4] в аннотации указано, что «…предложена новая, более простая, конструкция согласующего перехода на базе экранированной несимметричной полосковой линии. Показано также, что расширение частотного диапазона антенны возможно при эффективном избирательном подавлении волн высших типов, без заметного влияния на основную волну».
Второй вероятной причиной недостаточной широкополосности, недостаточного согласования (КСВ) и большой неравномерности графика зависимости коэффициента усиления антенны от частоты является, по мнению автора, то, что печатная плата примененного согласующего устройства помещена в узкую горловину единого рупора антенны и потому подвержена сильному влиянию его близко расположенных стенок.
В качестве прототипа выбрана пирамидальная рупорная антенна Н-образного сечения, опубликованная в [1], содержащая: пирамидальный рупор Н-образного сечения, подключенный к нему коаксиально-волноводный переход, выполненный из отрезка волновода Н-образного сечения и коаксиального разъема, установленного на его широкой стенке и поперечно подключенного к приливу дальнего гребня на определенном расстоянии от коротко замыкающей задней стенки упомянутого волновода.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: пирамидальный рупор Н-образного сечения; подключенный к нему коаксиально-волноводный переход, выполненный из отрезка волновода Н-образного сечения и коаксиального разъема.
Недостатками прототипа являются: недостаточная широкополосность, недостаточное согласование, большая неравномерность графика зависимости коэффициента усиления антенны от частоты. Одной из причин недостаточной широкополосности, недостаточного согласования (КСВ) и большой неравномерности графика частотной зависимости коэффициента усиления антенны-прототипа, по мнению автора, является то, что симметричная конструкция пирамидального рупора Н-образного сечения возбуждается несимметричным ВЧ током.
Второй причиной недостаточной широкополосности, недостаточного согласования (КСВ) и большой неравномерности графика частотной зависимости коэффициента усиления антенны-прототипа является то, что примененным в ней поперечным устройством возбуждения (известны также штыревые или зондовые и продольные устройства возбуждения, которые тоже имеют недостатки) формируются две волны в щели между гребнями пирамидального рупора. При этом волна, распространяющаяся к задней короткозамыкающей стенке волновода, отразившись от нее, суммируется с основной волной (распространяющейся к раскрыву антенны) не синфазно из-за разных частотных набегов фазы рабочих сигналов.
Техническим результатом изобретения является значительное увеличение широкополосности рупорной антенны, улучшение согласования (КСВ) в сверхширокой полосе частот и уменьшение неравномерности графика зависимости коэффициента усиления от частоты. Раскрытие сущности изобретения
Задачей изобретения является создание сверхширокополосной рупорной антенны, лишенной недостатков аналогов.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в известной пирамидальной рупорной антенне, содержащей пирамидальный рупор Н-образного сечения, подключенный к нему коаксиально-волноводный переход, выполненный из отрезка волновода Н-образного сечения и коаксиальный разъем, предусмотрены следующие отличия: в коаксиально-волноводном переходе, за пределами входов коротких симметричных гребней, плавно попарно расширены с обеих сторон его стенки и, в образовавшуюся нерегулярную волноводную камеру, дополнительно введено сверхширокополосное симметрирующее устройство, выполненное, например, на основе нерегулярной полосковой линии передачи. Причем, полосок и металлизация несимметричного входа сверхширокополосного симметрирующего устройства подключены соответственно к центральному проводнику коаксиального разъема и его корпусу, соединенному также с задней стенкой нерегулярной волноводной камеры, а симметричные выходы сверхширокополосного симметрирующего устройства подключены к входам коротких симметричных гребней коаксиально-волноводного перехода.
Существенные признаки предлагаемой сверхширокополосной рупорной антенны: пирамидальный рупор Н-образного сечения; подключенный к нему коаксиально-волноводный переход, выполненный из отрезка волновода Н-образного сечения и коаксиального разъема, при этом, в коаксиально-волноводном переходе за пределами входов коротких симметричных гребней, плавно попарно расширены с обеих сторон его стенки; в образовавшуюся нерегулярную волноводную камеру дополнительно введено сверхширокополосное симметрирующее устройство, выполненное, например, на основе нерегулярной полосковой линии передачи; причем, полосок и металлизация несимметричного входа сверхширокополосного симметрирующего устройства подключены соответственно к центральному проводнику коаксиального разъема и его корпусу, соединенному также с задней стенкой нерегулярной волноводной камеры, а симметричные выходы сверхширокополосного симметрирующего устройства подключены к входам упомянутых коротких симметричных гребней коаксиально-волноводного перехода.
В первом (общем) признаке показано, что пирамидальный рупор выполнен на основе Н-образного волновода. Между двумя его симметричными гребнями образована плавно расходящаяся, например, по экспоненте излучающая (приемная) щелевая линия хорошо согласованная со свободным пространством и эффективно работающая в сверхшироком диапазоне частот при возбуждении входов упомянутых гребней симметричным ВЧ током. Во втором (общем) признаке показано, что коаксиально-волноводный переход (выходная его часть) также выполнен на основе Н-образного волновода.
В отличительных признаках показано, что в коаксиально-волноводном переходе применены короткие симметричные гребни; как образуется нерегулярная (т.е. с изменяемыми размерами в сечениях по длине) волноводная камера (представляющая собой обратно включенный дополнительный рупор меньших размеров, в котором плавно увеличивающиеся по длине сечения нерегулярной волноводной камеры способствуют лучшему согласованию с основным пирамидальным рупором Н-образного сечения и существенно уменьшают негативное влияние разнесенных и наклоненных в пространстве его стенок на введенное внутрь устройство); что в нее введено и как оно (сверхширокополосное симметрирующее устройство) соединено с коаксиальным разъемом, задней стенкой нерегулярной волноводной камеры и короткими симметричными гребнями коаксиально-волноводного перехода. Последние необходимы для гальванического подключения к ним симметричных выходов сверхширокополосного симметрирующего устройства, а также для соединения (выходными торцами) с симметричными гребнями основного пирамидального рупора Н-образного сечения (с помощью свинчиваемых волноводных фланцев, расположенных на выходе коаксиально-волноводного перехода и на входе основного пирамидального рупора).
Технический результат в предлагаемой сверхширокополосной рупорной антенне достигается за счет того, что в ней симметричный пирамидальный рупор Н-образного сечения вместе с подключенным к нему коротким симметричным отрезком волновода Н-образного сечения (входящего в состав коаксиально-волноводного перехода), возбуждаются симметричным ВЧ током с помощью дополнительно введенного и помещенного внутрь увеличенного объема образованной нерегулярной волноводной камеры сверхширокополосного симметрирующего устройства. Последнее, выполнено аналогично устройству «согласующий трансформатор (СТ) для кольцевых смесителей», условно приведенным в книге «Твердотельные устройства СВЧ в технике связи», Л.Г. Гассанов [и др.], - М. «Радио и связь», 1988, стр. 121, абз. 3 [5]. Лабораторные макеты согласующего трансформатора были изготовлены автором на основании имеющегося опыта, найдены оптимальные размеры, проведены исследования в диапазоне частот от 0,03 до 18 ГГц. Аналогичные лабораторные макеты СТ широко применялись в качестве сверхширокополосных симметрирующих устройств в исследуемых макетах антенн в полосковом и воздушно-полосковом исполнениях. При применении упомянутых сверхширокополосных симметрирующих устройств (для возбуждения симметричных гребней симметричным током) практически отсутствуют ВЧ волны, отраженные от задних короткозамыкающих стенок коаксиально-волноводных переходов, что улучшает согласование и широкополосность антенны.
В таблице 1 приведена причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом.
Предлагаемое изобретение позволяет изготавливать сверхширокополосные рупорные гребневые антенны с хорошим согласованием, малой неравномерностью графика частотной зависимости коэффициента усиления антенны для сверхширокополосных средств связи, сверхширокополосных радиотехнических устройств и для сверхширокополосных измерительных установок. Краткое описание чертежей
Техническая сущность и принцип действия прототипа и заявляемой сверхширокополосной рупорной антенны поясняются чертежами и графиками, на которых:
Фиг. 1а Изображена предлагаемая сверхширокополосная рупорная антенна (вид слева).
Фиг. 1б Изображена предлагаемая сверхширокополосная рупорная антенна (вид справа).
п
Фиг. 2 Изображены графики измеренных значений согласования (КСВ) и коэффициентов передачи (К) в диапазоне рабочих частот предлагаемой сверхширокополосной рупорной антенны (ее лабораторного макета) -изображены красным цветом и близкого аналога прототипа - изображены черным цветом.
Примечания:
1. Лабораторный макет сверхширокополосной рупорной антенны (выполненный по предлагаемому техническому решению) имеет размеры: в раскрыве рупора - 172×172 мм; в месте сочленения пирамидального рупора с коаксиально-волноводным переходом (в горловине) - 55×55 мм (при длине гребневого рупора 340 мм); в месте расположения задней коротко замыкающей стенки нерегулярной волноводной камеры - 95×95 мм (при длине комбинированного коаксиально-волноводного перехода - 130 мм). При этом он хорошо работает в полосе частот от 1,31 до 18 ГГц.
2. Для получения рабочей полосы частот предлагаемой сверхширокополосной рупорной антенны от 1 до 18 ГГц необходимо увеличить длину рупора упомянутого лабораторного макета предлагаемой сверхширокополосной рупорной антенны до получения размеров его раскрыва (172×1,31)×(172×1,31) мм т.е. до размеров (225×225×445) мм.
3. Упомянутый (в тексте к фигуре 2) измеренный между испытуемой и «эталонной» антеннами (разнесенными на определенное расстояние друг от друга) коэффициент передачи (Кп) пропорционален коэффициенту усиления антенны (G).
Осуществление изобретения
Возможность осуществления заявляемого изобретения показана на рисунках: фиг. 1а и фиг. 1б.
Предложенная сверхширокополосная рупорная антенна состоит из:
1) пирамидального рупора Н-образного сечения; подключенного к нему (с помощью волноводных фланцев) коаксиально-волноводного перехода, выполненного из отрезка волновода Н-образного сечения, за пределами входов коротких симметричных гребней которого плавно попарно расширены с обеих сторон его стенки и образована нерегулярная волноводная камера (увеличенного объема);
2) дополнительно введенного и помещенного внутрь упомянутой нерегулярной волноводной камеры сверхширокополосного симметрирующего устройства; коаксиального разъема;
3) пирамидального рупора 1; симметричных гребней 2 и 3; волноводных фланцев 4 и 5; отрезков коротких симметричных гребней 6 и 7 (входящих в коаксиально-волноводный переход); плавно попарно расширенных стенок коаксиально-волноводного перехода 8, 9 и 10, 11 (образовавших нерегулярную волноводную камеру увеличенного объема); печатного сверхширокополосного симметрирующего устройства 12 с полоском 13-14 (на виде слева) и 15-16 (на виде справа); задней коротко замыкающей стенки 17 и коаксиального разъема 18.
Предлагаемая сверхширокополосная рупорная антенна работает следующим образом.
При подаче на входной коаксиальный разъем мощности СВЧ сигнала (допустимая мощность входного сигнала составляет несколько Вт при использовании в предлагаемой антенне печатного сверхширокополосного симметрирующего устройства и порядка 100 Вт при использовании воздушно-полоскового сверхширокополосного симметрирующего устройства) она (мощность) распространяясь через подключенное к нему сверхширокополосное симметрирующее устройство, доходит до входов симметричных гребней и возбуждает их симметричным ВЧ током. Далее СВЧ мощность по излучающей расходящейся щели, образованной между симметричными гребнями пирамидального рупора Н-образного сечения, распространяется к раскрыву последнего и «комфортно» (так как волновое сопротивление щели в раскрыве пирамидального рупора практически равно волновому сопротивлению свободного пространства) излучается в свободное пространство.
В процессе настройки (проверки) предлагаемой сверхширокополосной рупорной антенны, ее проверяют на соответствие чертежу, проверяют качество ее сборки, отсутствие деформаций (вмятин) на ее корпусе и измеряют ее согласование (т.е. значение КСВ), диаграмму направленности и значения коэффициентов усиления антенны в полосе рабочих частот (к графику частотной зависимости коэффициента усиления антенны).
Описанной выше сверхширокополосной рупорной антенной пользуются следующим образом: подготовить предлагаемую сверхширокополосную рупорную антенну к работе, для чего извлечь ее из штатной упаковки, снять защитный колпачок с ее коаксиального разъема и установить ее на соответствующем рабочем месте. Затем подключить к ее коаксиальному разъему соответствующий кабель от выхода усилителя мощности передатчика (или от входа приемного устройства) и приступить к работе.
Литература:
1. Варенцов Е.Л., Данилов А.А., Илларионов И.А., Кашин А.В. Исследование излучающих свойств пирамидальной рупорной антенны Н-образного сечения / Антенны. 2010. Выпуск 7 (158). С. 33-37.
2. Линии передачи сантиметровых волн. Пер. с англ. Г.А. Ремеза. Москва: Изд-во «Сов. Радио». 1951.
3. Кисиленко К.И., Тимофеев Е.П. Сверхширокополосная рупорная гребневая антенна с частичным диэлектрическим заполнением / Антенны. 2017. Выпуск 7 (239). С. 56-61.
4. Е.П. Тимофеев [и др.]. Широкополосная рупорная гребневая антенна / Вопросы радиоэлектроники. 2013. Серия РЛТ. Выпуск 1.
5. Гасанов Л.Г. [и др.]. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи / Москва, «Радио и связь». 1988.
6. Тимофеев Е.П. [и др.] Широкополосная рупорная гребневая антенна / Вопросы радиоэлектроники, серия РЛТ, 2013 г.