ЗОНД В ВИДЕ УКОРОЧЕННОГО МАЛОГАБАРИТНОГО ВИБРАТОРА

Полезная модель относится к антенно-фидерной технике и может быть использовано в качестве зонда при проведении измерений амплитуды и фазы поля излучения антенны.
В антенной технике часто используется амплифазометрический метод антенных измерений, в котором наибольшей простотой отличается зондовый метод, где распределение ближнего поля Е(х, у) измеряется на плоскости, параллельной раскрыву. В таком методе в качестве зондирующего устройства используется тонкий полуволновый вибратор или короткий электрический диполь с определенной высотой подвеса над исследуемой антенной.
Использование любого зонда связано с возмущением исследуемого поля и появлением погрешностей в измерениях амплитудно-фазового распределения (АФР) антенны. При приближении зонда к антенне их взаимодействие и погрешности измерений растут, поэтому как правило, зонд размещают над исследуемой антенной на расстоянии Δz≥0,2λ, где λ - длина волны.
Известны симметричные полосковые вибраторы [1, 2], которые можно использовать в качестве зонда, состоящие из полосковых проводников, образующих питающую линию, Y - разветвления, U-образного симметрирующего устройства, состоящего из двух отрезков, один из которых длиннее другого на половину длины волны, двух полосковых пластин, образующих плечи вибратора, двух плоских металлических экранов, перекрывающих питающую линию, двух диэлектрических пластин, расположенных между плоскими металлическими экранами.
В вибраторе [1] согласование в полосе рабочих частот обеспечивается за счет выбора определенной ширины полосок его плеч и питающей линии, изменения расстояния между точками питания плеч вибратора и изменения в небольших пределах его длины.
В вибраторе [2] согласование в полосе частот получается за счет дополнительно введенного Т-образного экрана, перекрывающего центральную часть отрезков плеч вибратора.
Недостатком этих печатных, симметричных полосковых вибраторов является то, что габаритные размеры излучающей части соответствуют размерам типовых полуволновых вибраторов и применять известные аналоги в качестве зонда можно только с высотой подвеса над исследуемой антенной Δz≥0,2λ.
Однако в ряде задач, в частности, при использовании специальных спадающих амплитудных и несинфазных распределений, например, в сканирующих антенных решетках, необходимо знать АФР с наименьшей ошибкой, когда влияние соседних вибраторов антенны на зонд незначительно, а величина связи с измеряемым излучателем достаточно высокая. Эту задачу возможно выполнить при размещении на достаточно малом расстоянии от исследуемой антенны зонда с уменьшенными размерами (по сравнению с половиной длины волны) излучающей части. В электрически коротких зондах, с уменьшенными размерами излучающей части, неизбежно ухудшается их согласование в полосе рабочих частот, т.е. увеличения коэффициента стоячей волны (КСВ), из-за снижения активного и увеличения реактивного входных сопротивлений. В таких случаях для компенсации реактивной части входного сопротивления используют компенсирующие реактивности.
Известен тонкий укороченный директорный вибратор [3], который можно применить в качестве зонда. Он состоит из излучающей части, представляющей собой тонкий укороченный вибратор с концевым шлейфом, и укороченного тонкого директора также с концевым шлейфом.
Недостатком этого аналога является то, что представленный укороченный вибратор имеет высокий КСВ и узкую полосу рабочих частот.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип является «Симметричный полосковый вибратор» [4], содержащий корпус, питающую линию, соединенную с входом симметрирующего устройства, представляющего собой Y - разветвление и два полосковых отрезка, один из которых длиннее другого на половину длины волны в полосковой линии, выходы симметрирующего устройства посредством двух полосковых отрезков питающей линии подключены к двум другим полосковым отрезкам, образующим плечи вибратора, две диэлектрические пластины, между которыми расположена питающая линия.
Однако, прототип можно применять в качестве зонда, как и симметрирующий полосковый вибратор [1, 2], также на расстоянии до исследуемой антенны Δz≥0,2λ. При Δz<0,2λ происходит значительное искажение поля излучения исследуемой антенны и, как следствие этого, рассогласование входного сопротивления излучателей антенной решетки.
Технический результат предполагаемой полезной модели - значительное уменьшение размеров зонда, с обеспечением широкой полосы рабочих частот с достаточно низким значением КСВ, при установке зонда на близком расстоянии (Δz<0,2λ) от исследуемой антенны, и улучшение согласования.
Это достигается тем, что прототипе, содержащем корпус, питающую линию, соединенную с входом симметрирующего устройства, представляющего собой Y - разветвление и два полосковых отрезка, один из которых длиннее другого на половину длины волны в полосковой линии, а выходы симметрирующего устройства посредством двух полосковых отрезков питающей линии подключены к двум другим полосковым отрезкам, образующим плечи вибратора, и две диэлектрические пластины, с целью уменьшения размеров два полосковых отрезка в симметрирующем устройстве выполнены в виде Г-образной формы с закорачивающим
(короткозамыкатель) определенной ширины, кроме того введен согласующий элемент, состоящий из двух тонких металлических прямоугольных пластин толщиной 0,03 мм., экранирующих с двух сторон полосковые отрезки питающей линии, подключенные к полосковым отрезкам, образующим укороченные плечи вибратора. Плечи вибратора выполнены в виде узких полосковых отрезков, соединенных между собой последовательно по типу меандровой линии.
На фиг.1 и 2 представлена конструкция симметричного полоскового вибратора, взятого за прототип;
На фиг.3 представлена конструкция предлагаемого зонда в виде укороченного малогабаритного вибратора. На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - диэлектрические пластины;
2 - питающая линия;
3 - Y-образное разветвление симметрирующего устройства;
4 - полосковые отрезки симметрирующего устройства;
5 - полосковые отрезки питающей линии;
6 - полосковые отрезки, образующие плечи вибратора;
10 - короткозамыкатель в симметрирующем устройстве;
11 - металлические пластины согласующего элемента;
12 - корпус;
На фиг.4 представлен график КСВ предлагаемого зонда в виде укороченного малогабаритного вибратора;.
На фиг.5 представлены сравнительные графики КСВ различных вибраторов;
На фиг.6 представлен график амплитудного распределения 16-элементной антенной решетки, измеренного предлагаемым зондом в диапазоне частот.
0
0
Зонд в виде укороченного малогабаритного вибратора содержит питающую полосковую линию 2, соединенную с входом симметрирующего устройства, представляющего собой Y - разветвление 3 и два полосковых отрезка 4, один из которых длиннее другого на половину длины волны в полосковой линии, полосковые отрезки 4 выполнены в виде Г-образной формы с короткозамыкателем 10 определенной ширины, выходы симметрирующего устройства посредством двух полосковых отрезков 5 питающей линии 2, подключенных к двум полосковым отрезкам 6, образующим плечи вибратора, которые выполнены в виде узких полосковых отрезков, соединенных между собой последовательно по типу меандровой линии, общая длина полосковых отрезков каждого плеча вибратора не превышает 0,35λ, где λ - средняя длина волны, согласующий элемент, состоящий из двух тонких металлических, прямоугольных пластин 11 толщиной 0,03 мм., экранирующих с двух сторон полосковые отрезки 5 питающей линии 2, две диэлектрические пластины.
Рисунок топологии выполнен на материале СФ-2-50Г-0,5 мм на двух сторонах. Расположение печатных проводников обеих сторон платы идентично. Для обеспечения механической прочности зонда плата с двух сторон закрыта пенопластовыми пластинами 1. Корпус 12 выполнен из двух алюминиевых пластин.
Устройство работает в передающем режиме следующим образом.
По питающей линии 2 с волновым сопротивлением 50 Ом ВЧ - сигнал подводится к симметрирующему устройству, обеспечивающему противофазное симметричное возбуждение плеч 6 зонда. ЭДС возбуждения, приложенная к плечам 6, вызывает синфазное распределение тока по проводникам плеч 6, близкое к синусоидальному. Согласование зонда в полосе рабочих частот производится путем подбора ширины полоски короткозамыкателя 10 и введением согласующего элемента, состоящего из двух тонких прямоугольных металлических
0
0
пластин 11 размером 0,085λ×0,2λ, перекрывающих отрезки 5, подключенные к плечам вибратора.
0
Настройка на минимальный КСВ зонда в виде укороченного малогабаритного вибратора производится в рабочей полосе частот Δf/f=11,7% в результате чего уровень коэффициента стоячей волны получен КСВ ≤1,4 (Фиг.4).
Коэффициент укорочения зонда, определяемый по формуле
составил 40% от размера полуволнового зонда, а габаритный размер
0
2L=0,3λ (Фиг.3)
На Фиг.5 представлены для сравнения характеристики КСВ полоскового полуволнового вибратора в свободном пространстве и его КСВ при наличии на близком расстоянии зонда в виде тонкого полуволнового вибратора или укороченного малогабаритного зонда
0
0
0
При приближении зонда выполненного конструктивно в виде тонкого полуволнового вибратора на расстояние (Δz=0,03λ) к исследуемому излучателю появляется сильное взаимодействие между ними, однако характеристика КСВ исследуемого излучателя заметно ухудшается (Фиг.5 кривые 2 и 4), что означает значительное искажение поля излучения исследуемой антенны. В тоже время при приближении предлагаемого зонда на такое же расстояние (Δz=0,03λ) к исследуемому излучателю, где имеется сильная взаимосвязь между ними, характеристика КСВ излучателя изменяется незначительно, особенно в полосе частот Δf/f=10%. (Фиг.5 кривые 2 и 3). Это обусловлено тем, что зонд в виде укороченного малогабаритного вибратора вносит незначительные искажения в поле излучения и его можно отнести к классу минимально рассеивающих излучающих устройств.
Экспериментальная проверка амплитудного распределения предлагаемым зондом была произведена в полосе частот на 16-ти
0
элементной АР при размещении зонда на предельно малом расстоянии (Δz=0,03λ), от излучателей исследуемой антенны. Из Фиг.6 видно, что форма амплитудного распределения достаточно близко совпадает с теоретической, а имеющиеся небольшие отклонения, которые обусловлены в основном ошибками системы питания антенны, отслеживаются. При эксперименте характеристики зонда были следующие:
- коэффициент передачи между зондом и исследуемым излучателем составил - 10 дБ;
- коэффициент связи с соседними излучателями не более - 16 дБ.
Таким образом, использование новой конфигурации плеч вибратора и симметрирующего устройства позволило значительно уменьшить габаритные размеры предлагаемого зонда, появилась возможность производить его согласование путем изменения ширины полоски короткозамыкателя, вновь введенный согласующий элемент в виде тонких металлических пластин прямоугольной формы, которые экранируют с двух сторон отрезки питающей полосковой линии, позволил дополнительно согласовать входное сопротивление вибратора в широкой полосе частот, кроме того, предлагаемый зонд в виде укороченного малогабаритного вибратора можно использовать в качестве излучающего устройства в антенных решетках особенно там, где требуется расстановка излучателей с не большим шагом между ними при сканировании луча в Е-плоскости в широком секторе углов.
Литература
1. Сб. Антенны в 9 (55), 2001 г., стр.3-8;
2. AC. SU №1022242 H 01 Q 1/38, H 01 Q 9/00, заяв. 21.09.81 г., опуб. 07.06.83 г., Бюл. №21;
3. К.Н.Курышов и др. Радиотехника, №9-12, 1993 г. стр.59-62;
4. AC. SU №1483508 H 01 Q 1/00, заяв. 04.05.87 г., опубл. 30.05.89 г., Бюл. №20.