Широкополосная антенна линейной поляризации

Полезная модель «Широкополосная антенна линейной поляризации» относится к области техники СВЧ и предназначена для приема и излучения СВЧ сигналов в широком диапазоне частот.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является построение конструктивно простой широкополосной антенны с хорошо сформированной осесимметричной диаграммы направленности (ДН) с низким уровнем боковых лепестков.

Антенна состоит из отрезка круглого волновода с закороченной одной торцевой стенкой, излучателя и питающего 50-омного коаксиального кабеля с согласующим трансформатором, излучатель выполнен на листе двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и размерами 0,57_макс×0,3_макс и расположен на расстоянии 0,133_макс от закороченной стенки отрезка круглого волновода высотой 0,147_макс и диаметром 0,57_макс. Питающий коаксиальный кабель установлен на оси отрезка круглого волновода и косо срезан на расстоянии 0,133_макс и подсоединяется к излучателю, который выполнен на стороне листа стеклотекстолита, обращенного к открытому концу отрезка волновода, излучатель установлен симметрично относительно оси отрезка волновода, а на обратной стороне листа стеклотекстолита, обращенного к закороченной торцевой стенке отрезка круглого волновода, с обоих сторон вдоль его размера 0,3_макс симметрично оси отрезка волновода выполнены по одной прямоугольной металлизированной полоске размерами вдоль кромки размера 0,3_макс, раной 0,226_макс и в сторону оси волновода, равной 0,067_макс. Внешние размеры металлизации излучателя ограничены сторонами квадрата со стороной, равной О.33_макс и двумя линиями, параллельными диагонали квадрата и отстоящими от этой диагонали в разные стороны на расстояние, равное 0,113_макс. Центр квадрата находится на оси отрезка круглого волновода, внутренние размеры, в которых отсутствует металлизация в излучателе, ограничены двумя лучами, выходящими из центра квадрата в обе стороны, с углом между ними, равным 50°, до расстояния от центра квадрата, равного 0,11_макс и дальше от размера 0,11_макс участок без металлизации со сторонами параллельными оси квадрата и отстоящими от этой оси на расстояние равное 0,053_макс, этот участок не доходит до сторон квадрата на расстояние, равное 0,025_макс. На сторонах квадрата в размере, равном 0,106_макс выполнена металлизация шириной, равной 0,018_макс.

Предлагаемая широкополосная антенна линейной поляризации относится к области антенной техники и может быть использована для приема (излучения) СВЧ колебаний в составе антенной решетки или в качестве одиночного излучателя.

Известна широкополосная укороченная антенна обратного излучения (АОИ) [А.Л.Драбкин, В.Л.Зузенко, А.Г.Кислов. Антенно-фидерные устройства, стр.143-144. Изд-во Советское радио, 1974 г.]. Укороченная АОИ состоит из питающего полуволнового вибратора и двух плоских круглых рефлекторов диаметром 2_макс и 0,5_макс, расположенных по обе стороны от вибратора. Расстояние между рефлекторами 0,5_ср АОИ с широкополосным вибратором увеличенного сечения и при его оптимальном положении и длине, а также при соответствующих размерах рефлекторов и расстоянии между ними, имеет в двойном диапазоне частот коэффициент стоячей волны в питающем фидере не более 1,5.

К недостаткам АОИ можно отнести значительные габариты по сравнению с длиной волны, не позволяющие использовать ее в плоской антенной решетке с углом сканирования не менее ±30°.

Известна широкополосная логопериодическая вибраторная антенна [Франция, заявка 2414259 кл. , заявлена 10.01.1978 г.]. Антенна с периодической логарифмической структурой выполнена в трех вариантах. Первый вариант состоит из восьми несимметричных вертикальных вибраторов, высота которых изменяется по геометрической прогрессии. Линией питания является коаксиальный кабель, имеющий сопротивление 50 Ом. Несимметричные вибраторы образуют с линией питания емкости определенных значений для каждого вибратора. Второй вариант построен с использованием трапецеидальных излучателей. Таких трапеций 5. Они имеют разные высоты и основания. Питающий кабель прокладывается внутри трапеций в специальных трубах. Третий вариант состоит из двух трапецеидальных излучателей. Все три варианта могут работать в диапазоне с отношением частот .

Недостатками этой антенны являются значительные габариты по сравнению с длиной волны, большой уровень заднего излучения, нестабильное положение максимума диаграммы направленности (ДН), большое значение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) и ее нельзя использовать если антенну необходимо встраивать заподлицо в несущую поверхность.

Известна широкополосная укороченная рупорная антенна [Р.М.Landstorfer, R.R.Sacher. Very short horn antennas for arbitrary polarization. Microwave 1979, 9^th Eur. Microwave conf. Briehton. 1979, p.186-190]. В работе приведены две укороченных рупорных антенны, имеющих линейную поляризацию и две укороченных рупорных антенны, которые могут принимать и передавать любую поляризацию при правильном сложении сигналов двух ортогональных поляризаций. Укороченная рупорная антенна для линейной поляризации состоит из рупора и клинообразного выступа, к которому подсоединена коаксиальная линия. Форма данной антенны получена экспериментальным путем с применением методов машинного проектирования. Минимальная длина достигается при плавном двухступенчатом переходе от волны типа ТЕМ в коаксиальном кабеле в пространственную волну, излучаемую в апертуре. Волновое сопротивление в рупоре в точке питания приблизительно равно 50 Ом и повышается по мере удаления от точки питания. Кривизна клинообразного выступа оптимизируется для наилучшего согласования сопротивлений. В антенне уменьшение частотной зависимости ширины ДН достигается путем изменения формы боковых стенок. При длине антенны, равной _ср и раскрыве, равном 1,2·_ср, антенна в пределах октавы имеет значение КСВН<2. Ширина ДН изменяется менее чем на 30%. При этом необходимо отметить, что избежать искажения волновых фронтов в антенне в пределах октавы не удается.

К недостаткам данной антенны можно отнести также сложную конструкцию, большие размеры по сравнению с длиной волны и узкий диапазон частот.

Известна широкополосная плоская логопериодическая антенна с рефлектором [ФРГ, патент 1302841 кл. 21 а4 46/04 () заявлена 21.05.1965 г.; Сверхширокополосные антенны, пер. с англ. под ред. Л.С.Бененсона. Изд. Мир, Москва, стр.239-249, 1964 г.], которая является прототипом для заявляемой широкополосной антенны линейной поляризации. Она состоит из излучателя, содержащего два логопериодических элемента, расположенного в отрезке круглого волновода с закороченной одной торцевой стенкой и 50-омного коаксиального кабеля с согласующим трансформатором. В антенне между торцевой стенкой и логопериодическими элементами помещен диэлектрик.

Недостатком этой антенны являются значительные габариты, плохое согласование с питающим 50-омным коаксиальным кабелем и плохо сформированная ДН.

Технической задачей на решение которой направлена полезная модель является упрощение конструкции, улучшение согласования и получение хорошо сформированной ДН с низким уровнем боковых лепестков.

Технический результат достигается тем, что в широкополосной антенне линейной поляризации, содержащей отрезок круглого волновода диаметром D и высотой Н, с закороченной одной торцевой стенкой, излучатель и питающий 50-омный коаксиальный кабель с согласующим трансформатором, излучатель выполнен на листе двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и размерами D=0,57_макс, H=0,3_макс и расположен на расстоянии 0,133_макс от закороченной стенки отрезка круглого волновода высотой 0,147_макс и диаметром 0,57_макс, при этом питающий коаксиальный кабель установлен на оси отрезка круглого волновода и косо срезан на расстоянии 0,133_макс и подсоединяется к излучателю, который выполнен на стороне листа стеклотекстолита, обращенного к открытому концу отрезка волновода, излучатель установлен симметрично относительно оси отрезка волновода, а на обратной стороне листа стеклотекстолита, обращенного к закороченной торцевой стенке отрезка круглого волновода, с обоих сторон вдоль размера листа 0,3_макс, симметрично оси отрезка волновода выполнены по одной прямоугольной металлизированной полоске размерами вдоль кромки размера 0,3_макс, раной 0,226_макс и в сторону оси волновода, равной 0,067_макс, внешние размеры металлизации излучателя ограничены сторонами квадрата со стороной, равной 0,33_макс и двумя линиями, параллельными диагонали квадрата и отстоящими от этой диагонали в разные стороны на расстояние, равное 0,113_макс, центр квадрата находится на оси отрезка круглого волновода, внутренние размеры, в которых отсутствует металлизация в излучателе, ограничены двумя лучами, выходящими из центра квадрата в обе стороны, с углом между ними, равным 50°, до расстояния от центра квадрата, равного 0,11_макс и дальше от размера 0,11_макс участок без металлизации со сторонами параллельными оси квадрата и отстоящими от этой оси на расстояние равное 0,05_макс, этот участок не доходит до сторон квадрата на расстояние, равное 0,025_макс, причем на сторонах квадрата в размере, равном 0,106_макс, выполнена металлизация шириной, равной 0,018_макс.

На Фиг. приведен эскиз предлагаемой широкополосной антенны линейной поляризации.

Антенна состоит из отрезка круглого волновода 1 у которого одна торцевая стенка закорочена, листа двухстороннего фольгированного стеклотекстолита 2 толщиной 1,5 мм, на котором выполнены согласующие полоски 3 и 6, излучателя 5 и 50-омного коаксиального кабеля 4. Лист двухстороннего фольгированного стеклотекстолита 2 закрепляется в отрезке круглого волновода 1 с помощью клея Д9. Коаксиальный кабель 4 установлен по оси отрезка круглого волновода 1, внешний и внутренний проводники кососрезонного участка коаксиального кабеля 4 имеет омический контакт с противоположными сторонами излучателя 5, коаксиальный кабель 4 имеет также омический контакт с отрезком круглого волновода 1.

Излучатель выполнен на листе двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и размерами D=0,57_макс, H=0,3_макс и расположен на расстоянии 0,133_макс от закороченной стенки отрезка круглого волновода высотой 0,147_макс и диаметром 0,57_макс,.

Питающий коаксиальный кабель установлен на оси отрезка круглого волновода и косо срезан на расстоянии 0,133_макс и подсоединяется к излучателю, который выполнен на стороне листа стеклотекстолита, обращенного к открытому концу отрезка волновода.

Излучатель установлен симметрично относительно оси отрезка волновода, а на обратной стороне листа стеклотекстолита, обращенного к закороченной торцевой стенке отрезка круглого волновода, с обоих сторон вдоль размера листа 0,3_макс, симметрично оси отрезка волновода выполнены по одной прямоугольной металлизированной полоске размерами вдоль кромки размера 0,3_макс, раной 0,226_макс и в сторону оси волновода, равной 0,067_макс.

Внешние размеры металлизации излучателя ограничены сторонами квадрата со стороной, равной 0,33_макс и двумя линиями, параллельными диагонали квадрата и отстоящими от этой диагонали в разные стороны на расстояние, равное 0,113_макс. Центр квадрата находится на оси отрезка круглого волновода, внутренние размеры, в которых отсутствует металлизация в излучателе, ограничены двумя лучами, выходящими из центра квадрата в обе стороны, с углом между ними, равным 50°, до расстояния от центра квадрата, равного 0,11_макс и дальше от размера 0,11_макс участок без металлизации со сторонами параллельными оси квадрата и отстоящими от этой оси на расстояние равное 0,053_макс, этот участок не доходит до сторон квадрата на расстояние, равное 0,025_макс. На сторонах квадрата в размере, равном 0,106_макс выполнена металлизация шириной, равной 0,018_макс.

Существенные признаки, отличающие заявленную широкополосную антенну линейной поляризации от прототипа не поддаются самостоятельной квалификации, так как неотделимы от целого объекта. Взаимное положение и размеры всех элементов, входящих в антенну, окончательно определены экспериментально и позволяют построить антенну простой конструкции с хорошим согласованием с питающим 50-омным коаксиальным кабелем и с хорошо сформированной ДН с низким уровнем боковых лепестков в широком диапазоне частот при .

Антенна работает следующим образом: СВЧ сигнал по 50-омному коаксиальному кабелю 4 канализируется к излучателю 5 и излучается в свободное пространство. Излучатель 5 и отрезок круглого волновода 1 формируют в широком диапазоне частот ДН и при этом отрезок волновода 1, излучатель 5 и полоски 3 и 6 согласуют в широком диапазоне частот 50-омный коаксиальный кабель со свободным пространством.

Экспериментально исследованы макеты заявляемой антенны, у которой в диапазоне частот с отношением значение КСВН было не более 1,9, хорошо сформированная осесимметричная ДН шириной на уровне 3 дБ равная (55÷75)° и уровень боковых лепестков ниже 17 дБ.

Заявляемая антенна может быть изготовлена на любом среднетехническом предприятии страны из материалов, которые широко применяются в промышленности.

По сравнению с прототипом предлагаемая антенна имеет улучшенные технические и экономические показатели:

- более простую конструкцию и соответственно более низкую цену;

- лучшее согласование с питающим 50-омным коаксиальным кабелем;

- хорошо сформированную осесимметричную ДН с низким уровнем боковых лепестков.

Широкополосная антенна линейной поляризации, содержащая отрезок круглого волновода диаметром D и высотой Н с закороченной одной торцевой стенкой, излучатель и питающий 50-омный коаксиальный кабель с согласующим трансформатором, отличающаяся тем, что излучатель выполнен на листе двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и размерами D=0,57_макс; Н=0,3_макс и расположен на расстоянии 0,133_макс от закороченной стенки отрезка круглого волновода высотой 0,147_макс и диаметром 0,57_макс, при этом питающий коаксиальный кабель установлен на оси отрезка круглого волновода, и косо срезан на расстоянии 0,133_макс, и подсоединяется к излучателю, который выполнен на стороне листа стеклотекстолита, обращенного к открытому концу отрезка волновода, излучатель установлен симметрично относительно оси отрезка волновода, а на обратной стороне листа стеклотекстолита, обращенного к закороченной торцевой стенке отрезка круглого волновода, с обоих сторон вдоль размера листа 0,3_макс, симметрично оси отрезка волновода выполнены по одной прямоугольной металлизированной полоске размерами вдоль кромки размера 0,3_макс, раной 0,226_макс и в сторону оси волновода, равной 0,067_макс, внешние размеры металлизации излучателя ограничены сторонами квадрата со стороной, равной 0,33_макс, и двумя линиями, параллельными диагонали квадрата и отстоящими от этой диагонали в разные стороны на расстояние, равное 0,113_макс, центр квадрата находится на оси отрезка круглого волновода, внутренние размеры, в которых отсутствует металлизация в излучателе, ограничены двумя лучами, выходящими из центра квадрата в обе стороны, с углом между ними, равным 50°, до расстояния от центра квадрата, равного 0,11_макс, и дальше от размера 0,11_макс участок без металлизации со сторонами, параллельными оси квадрата и отстоящими от этой оси на расстояние, равное 0,053_макс, этот участок не доходит до сторон квадрата на расстояние, равное 0,025_макс, причем на сторонах квадрата в размере, равном 0,106_макс, выполнена металлизация шириной, равной 0,018_макс.