Опромінювач дзеркальної антени

Шалякін Олександр Іванович (RU)

Винахід відноситься до антеною техніці. Технічний результат полягає в можливості узгодження випромінювача з гарною якістю в широкому діапазоні частот, в підвищенні коефіцієнта посилення антени і поляризаційної розв'язки. Суть винаходу полягає в тому, що в облучателе дзеркальної антени, що містить хвилевід і рефлектор, на захисному діелектричному кожусі, встановленому зовні хвилеводу, співвісно волноводу закріплений провідник з індуктивним характером провідності, що погоджує одночасно кожух і апертуру хвилеводу. Провідник може бути виконаний, наприклад, у вигляді плоского або дротяного кільця, або у вигляді декількох витків тонкого дроту. 2 з.п. ф-ли, 4 іл.

Винахід відноситься до радіотехніки і може бути використано в антеною техніці, зокрема в техніці зв'язку і супутникового телебачення.

Відомий опромінювач дзеркальної антени, що складається з хвилеводу, рефлектора і захисної діелектричної пластини, розташованої в розкриві рефлектора [1, стр.534, 535, ріс.10-22а]. Узгодження опромінювача засноване на компенсації хвиль, відбитих від горловини рефлектора і діелектричної пластини. Недоліком цього опромінювача є узгодження у вузькому діапазоні частот через те, що відстань між горловиною рефлектора і пластиною становить значну величину.

Відома також узгоджена опора в круглому хвилеводі, що складається з діелектричного тонкого диска і розташованих на його поверхнях двох співвісних кільцевих плоских провідників з індуктивним характером провідності [2]. Тонкий діелектричний диск являє собою провідність ємнісного типу. Ця провідність компенсується індуктивної провідністю кілець, розташованих на діелектричному диску. Завдяки цьому шайба виявляється узгодженої в широкому діапазоні частот. Недоліком цієї узгодженої шайби є те, що при її установці в апертурі в якості захисної діелектричної кришки не відбувається компенсації стрибка хвильового опору хвилеводу і вільного простору, що призводить до погіршення узгодження опромінювача.

Відомий також опромінювач для симетричною параболічної антени, що містить круглий хвилевід, який виступає над ребристим рефлектором з канавками прямокутної форми, діелектричного кільця і ​​радиопрозрачной діелектричної плівки для виключення впливу кліматичних факторів [3]. Узгодження опромінювача засноване на застосуванні тонкої діелектричної плівки, яка має Радіопрозорий властивостями. Недоліком цього опромінювача є наявність тонкої плівки, що не забезпечує достатньої міцності при експлуатації. Зокрема, така плівка може бути легко розірваний дзьобами ворон.

Відомий також опромінювач дзеркальної антени, що містить хвилевід, рефлектор і захисний діелектричний кожух, встановлений на рефлекторе [1, стр.535, ріс.10-22в]. Кожух призначений для захисту опромінювача від атмосферних умов. Кожух розташований за розкривом рефлектора. Узгодження опромінювача засноване на компенсації хвиль, відбитих від апертури опромінювача і діелектричного кожуха. Недоліком цього опромінювача є узгодження у вузькому діапазоні частот через те, що відстань між апертурою опромінювача і діелектричним кожухом становить значну величину. Цей опромінювач дзеркальної антени обраний в якості прототипу.

В основу винаходу покладено завдання створити опромінювач дзеркальної антени з узгодженням в широкому діапазоні частот.

Поставлена ​​задача вирішується тим, що в облучателе дзеркальної антени, що містить хвилевід, рефлектор і захисний діелектричний кожух, встановлений зовні хвилеводу, на ньому закріплений провідник з індуктивним характером провідності. Додатково провідник з індуктивним характером провідності виконаний у вигляді плоского або дротяного кільця. Додатково дротове кільце виконано у вигляді декількох витків тонкого дроту.

Таке виконання опромінювача дзеркальної антени дозволяє забезпечити узгодження випромінювача з гарною якістю в широкому діапазоні частот, підвищити коефіцієнт посилення антени і поляризаційну розв'язку.

Винахід пояснюється кресленнями, де

- на фіг.1 зображений варіант опромінювача для осесиметричної дзеркальної антени;

- на фіг.2 зображено варіант опромінювача для офсетного дзеркальної антени;

- на Фіг.3 зображені варіанти виконання індуктивного провідника;

- на фіг.4 зображені криві залежності коефіцієнта відбиття опромінювача з індуктивним кільцем і без нього.

Опромінювач для осесиметричної дзеркальної антени зображений на фіг.1 і складається з, наприклад, круглого хвилеводу 1, фланця 2, волноводного переходу 3 овального поперечного перерізу, рефлектора 4 і захисного діелектричного кожуха 5, закріпленого в волноводе 1. Усередині хвилеводу 1 може бути розташована діелектрична пластина 6 поляризатора, призначена для формування поля кругової поляризації і орієнтована під кутом 45 градусів до площини Е волноводного переходу 3. Рефлектор 4 виконаний з якої-небудь відомою схемою і служить для фо рмірованія відповідної широкої діаграми спрямованості. Площина 7 діелектричного кожуха 5 розташована на відстані 0,125 # x003BB ;, де # X003BB; - робоча довжина хвилі від апертури 8 хвилеводу 1. На внутрішній поверхні 7 діелектричного кожуха 5 розташований провідник з індуктивним характером провідності, виконаний, наприклад, у вигляді плоского кільця 9. Кільце 9 встановлено співвісно з хвилеводом 1. Рефлектор 4 приєднаний до волноводу 1 за допомогою гвинта 10.

Опромінювач для офсетного дзеркальної антени зображений на фіг. 2 і складається з, наприклад, круглого хвилеводу 11, фланця 12, волноводного переходу 13 овального поперечного перерізу, рефлектора 14 і захисного діелектричного кожуха 15, закріпленого на рефлекторе 14. Усередині хвилеводу 11 може бути розташована діелектрична пластина 16 поляризатора, призначена для формування поля кругової поляризації і орієнтована під кутом 45 градусів до площини Е волноводного переходу 13. Рефлектор 14 формує більш вузьку діаграму спрямованості, призначену для опромінення офсетного дзеркала. Площина 17 захисного діелектричного кожуха 15 також розташована на відстані 0,125 # x003BB; від апертури 18 хвилеводу 11. При цьому на внутрішній поверхні 17 діелектричного кожуха 15 розташований провідник з індуктивним характером провідності, виконаний, наприклад, у вигляді плоского кільця 19. Кільце 19 встановлено співвісно з хвилеводом 11. Рефлектор 14 закріплений на волноводе 1 за допомогою гвинта 20 .

Розглянемо принцип роботи опромінювача дзеркальної антени. Відображення хвилі в апертурі хвилеводу відбувається через стрибок хвильових опорів хвилеводу і вільного простору. Залежність коефіцієнта віддзеркалення круглого хвилеводу від частоти має спадаючий вид [4, стор.241, 242]. Величина коефіцієнта відбиття для круглого хвилеводу змінюється в діапазоні частот в межах від 0,3 до 0,15. Для узгодження апертури хвилеводу додаткової провідність відповідно до діаграмою Вольперт-Сміта є дві можливості. Перша можливість полягає в установці провідності ємнісного типу всередині хвилеводу на відстані 0,125 # x003BB; g, де # X003BB; g - довжина хвилі в хвилеводі. Друга можливість полягає в установці провідності індуктивного типу зовні хвилеводу на відстані 0,125 # x003BB; від апертури хвилеводу. Як відомо, величина індуктивного провідності зменшується зі збільшенням частоти, тобто відображення від неї носить спадаючий характер, як і для коефіцієнта відбиття від апертури хвилеводу. Тому для широкосмугового узгодження більш краща друга можливість, що забезпечує компенсацію хвиль приблизно однаковою амплітуди в робочому діапазоні частот. При цьому провідність індуктивного типу має також компенсувати емкостную провідність діелектричного кожуха, на якій вона розташована. Таким чином, захисний діелектричний кожух також повинен розташовуватися на відстані 0,125 # x003BB ;. Для хвиль з круговою поляризацією поля доцільно індуктивний провідник виконати в формі кільця, що володіє осьовою симетрією. Це індуктивний кільце забезпечить радіопрозорість захисного діелектричного кожуха і широкосмугове узгодження опромінювача. Оскільки індуктивний кільце є слабовозбужденним елементом, так як відображення від нього можна порівняти з відбиттям від апертури хвилеводу, то воно практично не впливає на діаграму спрямованості опромінювача.

Індуктивна провідність може бути також реалізована на основі інших структур. Провідність прямолінійного провідника залежить від його довжини. Прямолінійний провідник, орієнтований вздовж ліній електричного поля і не має електричного контакту зі стінкою хвилеводу, має провідність ємнісного типу при довжині провідника менш # X003BB; / 2. При цьому провідник повністю відображає хвилю при довжині # X003BB; / 2 (явище резонансу). Для забезпечення індуктивного характеру провідності довжина прямолінійного провідника повинна бути обрана в межах від # X003BB; / 2 до # X003BB; (І так далі з урахуванням періодичності). При довжині провідника, яка дорівнює # X003BB ;, відображення від нього відсутня, так як напівхвилі струму на провіднику однакові і протилежні. На практиці для реалізації індуктивної провідності і розміщення її на поверхні кожуха доцільно використовувати довгі вигнуті провідники. Частотна залежність коефіцієнта відбиття вигнутого провідника визначається загальною довжиною провідника і співвідношенням частини провідника, паралельної електричному полю, і частини, перпендикулярній йому. Конструктивний вигляд індуктивних провідників може бути різним. Вони можуть бути виконані на основі дротяних структур або плоских провідників на діелектричній підкладці, можуть бути виконані у вигляді спіралей або вигнутих багаторазово під прямим кутом провідників. Вибір оптимальної конструкції індуктивного провідника визначається конструкцією опромінювача, впливом рефлектора і типом поляризації. На Фіг.3 наведено варіанти виконання індуктивного провідника. Для лінійно поляризованої хвилі досить застосувати довгий вигнутий провідник, витягнутий вздовж напрямку поляризації хвилі (уздовж вектора електричного поля Е). Форма довгого провідника може бути виконана у вигляді спіралі 21, меандру 22 або змійки 23. Частотна залежність коефіцієнта відбиття вигнутого провідника залежить від його параметрів (числа витків, довжини провідника, кроку), причому коефіцієнт відображення зменшується зі зменшенням кроку вигнутого провідника. Геометричні розміри провідників підбираються з умови узгодження опромінювача. На фіг.3г індуктивний провідник виконаний у вигляді двох дуг 24 з провідників. Вектор електричного поля Е спрямований уздовж решт дуг. На кінцях дуг 24 струми провідності дорівнюють нулю, тому дві дуги діють як суцільне індуктивне кільце.

Для хвилі кругової поляризації доцільно індуктивний провідник виконати у вигляді кільця. Кільце 25 може бути виконано з дроту, кінці якої спаяні, фіг.3д. Плоске кільце 26 на Фіг.3 може бути вирізано з металевої фольги і наклеєно на площину кожуха, витравлені по фотошаблону на тонкій фольгованої діелектричної плівці або напилю на площину кожуха. Іншим варіантом виконання кільця 27 є кілька витків тонкого дроту по фіг.4ж. Завдяки кільком виткам розрив дроту виявляється несуттєвим для хвилі кругової поляризації, тому багатовитковому кільце діє як суцільне. Виготовлення такого кільця не вимагає застосування складних технологій і пристосувань. Витки намотуються на круглу болванку потрібного радіусу, а потім кільце приклеюється до площини діелектричного кожуха.

На фіг.4 представлені експериментальні криві залежностей коефіцієнта відображення. Крива 28 відповідає початковому коефіцієнту відбиття від апертури офсетного опромінювача по фіг.2 із захисним діелектричним кожухом 15 товщиною 0,02 # x003BB ;. Коефіцієнт відображення досягає величини 0,3 на нижньому краю діапазону. Крива 29 відповідає коефіцієнту відбиття від апертури офсетного опромінювача з захисним діелектричним кожухом 15, на поверхні якого розташоване індуктивне кільце 19. Кільце 19 забезпечує гарне узгодження випромінювача в діапазоні частот до 20 відсотків. Внутрішній радіус кільця 19 при цьому дорівнює 0,3 # x003BB ;, ширина кільця 0,04 # x003BB ;. Ці результати також підтверджуються за допомогою розрахунків на основі програми електродинамічного моделювання.

Перевагою запропонованого рішення є узгодження випромінювача в широкому діапазоні частот. При цьому втрати на відбиття знижуються на 0,2 дБ. Крім того, пропоноване рішення призводить до поліпшення поляризационной розв'язки в разі роботи з хвилею кругової поляризації, так як хвиля, відбита від апертури хвилеводу, безпосередньо дає внесок в крос-поляризаційну складову. Оцінка показує, що зменшення коефіцієнта відбиття від апертури опромінювача з 0,21 до 0,05 призводить до підвищення поляризационной розв'язки опромінювача на 13 дБ. Таким чином, пропонований опромінювач забезпечує підвищення коефіцієнта посилення дзеркальної антени внаслідок зниження втрат на відбиття і підвищення рівня узгодження по поляризації.

1. Жук М.С. Молочков Ю.Б. Проектування антенно-фідерних пристроїв. - М. - Л. «Енергія», 1966.

4. Айзенберг Г.З. Ямпільський В.Г. Терешин О.Н. Антени УКВ. - ч.1. М. «Зв'язок», 1977.

1. Опромінювач дзеркальної антени, що містить хвилевід, рефлектор і захисний діелектричний кожух, встановлений зовні хвилеводу, який відрізняється тим, що на кожусі співвісно волноводу закріплений провідник з індуктивним характером провідності, що погоджує кожух і апертуру хвилеводу.

2. Опромінювач по п.1, що відрізняється тим, що провідник з індуктивним характером провідності виконаний у вигляді плоского або дротяного кільця.

3. Опромінювач по п.2, що відрізняється тим, що дротове кільце виконано у вигляді декількох витків тонкого дроту.