Рупорный облучатель

 

Изобретение относится к антенной технике , а именно к волноводным рупорам, и может быть использовано в качестве самостоятельного излучателя или облучателя зеркальной или линзовой антенн. Цель изобретения - расширение диапазона рабочих частот и обеспечения работы рупорного облучателя в нескольких,диапазонах с заданным отношением рабочих частот. Рупорный облучатель содержит секцию 1 преобрази1 вания мод, соединенную с металлическим рупором 2, структуру 3, выполненную из чередующихся вдоль оси рупорного облучателя пар магнитодиэлектрических колец и размещенную на внутренней стенке металлического рупора 2. При работе рупорного облучателя из преобразователя мод в горловину металлического рупора 2 поступают СВЧ-колебания заданной структуры (гибридная мода НЕц). Параметры структуры 3 из кольцевых вкладышей выбраны удовлетворяющими условию поддержания распространения и излучения моды НЕц в заданных частотных диапазонах, чем обеспечивается согласование, а также низкий уровень боковых лепестков и кроссполяризационного излучения. 3 ил. сл С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s Н 01 Q 13/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ф

ЪФ (21) 4661416/09 (22) 10.03.89 (46) 07.02.92. Бюл. М 5 (71) Радиоастрономический институт АН

УССР (72) И.В.Боровский, О.Г.Гамуля, А.П.Удовенко и В.П.Чурилов (53) 621,396.677.73(088,8) (56) IEEE Transactions on Antennas and

Propagation, 1988, ч. AP-36, М 8, р. 11521157. (54) РУПОРНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к антенной технике, а именно к волноводным рупорам, и может быть использовано в качестве самостоятельного излучателя или облучателя зеркальной или линзовой антенн. Цель изобретения — расширение диапазона рабочих частот и обеспечения работы рупорного облучателя в нескольких, диапазонах с заданным отношением рабочих частот. Рупорный облучатель содержит секцию 1 преобразования мод, соединенную. с металлическим рупором 2, структуру 3, выполненную из чередующихся вдоль оси рупорного облучателя пар магнитодиэлектрических колец и размещенную на внутренней стенке металлического рупора 2. При работе рупорного облучателя из преобразователя мод в горловину металлического рупора 2 поступают

СВЧ-колебания заданной структуры (гибридная мода НЕ11). Параметры структуры 3 из кольцевых вкладышей выбраны удовлетворяющими условию поддержания распространения и излучения моды НЕ11 в заданных частотных диапазонах, чем обеспечивается согласование, а также низкий (у уровень боковых лепестков и кроссполяризационного излучения. 3 ил.

1711277

Изобретение относится к антенной технике, а именно к волноводным рупорам, и может быть использовано в качестве самостоятельного излучателя или облучателязеркальной и линзовой антенн.

Известен рупорный облучатель с внутренними стенками с поперечным -металлическим гофром прямоугольной формы (или более сложной конструкции) и глубиной

4. Такие облучатели позволяют добиватьl1, ся высоких характеристик излучения на частотах, относящихся как 1:2, или работать в нескольких частотных диапазонах с длина/

Х ми волн, равными (2n + 1), где n = 1,2,....

Недостатками облучателей являются большая масса, сложность в изготовлении и, соответственно, стоимость, в особенности для миллиметрового диапазона.

Улучшить диапазонные свойства облучателей до соотношения рабочих частот 1:3 позволяет использование рупорных облучателей с металлическим гофром с чередующимися прямоугольными канавками двух типов, настроенных на свою частоту каждая.

Основным физическим ограничением на дальнейшее расширение диапазона рабочих частот в указанных облучателях является требование, накладываемое на соотношение ширины канавки W и толщины ребра () — 0,75. Это соотношение не

W т может быть удовлетворено для далеко разнесенных диапазонов. Кроме того, такие облучатели имеют те же .укйзанные технологические недостатки.

Известен также рупорный облучатель с гладкими внутренними металлическими стенками, конической вставкой из диэлектрика и диэлектрической прослсйкой между вставкой и стенками рупора, причем диэлектрическая проницаемость материала прослойки меньше диэлектрической проницаемости материала вставки. Такие облучатели позволяют получать требуемые характеристики в диапазоне 1 — 3 и достаточно просты в изготовлении, но обладают большими потерями и не позволяют работать с большими излучаемыми мощностями.

Наиболее близким к предлагаемому является рупорный облучатель, содержащий металлический рупор, на внутренней стенке которого размещена структура из кольцевых вкладышей. Вкладыши выполнены из диэлектрического материала, ширина вкладыша равна полуширине периода, диаметр раскрыва облучателя много больше длины волны. тд(f =Ь4)tg(f. ha}= — 1, 25 где п = 1, 2,...; f< Q — рабочие частоты;

30,и

L — период структуры;

Ь вЂ” ширина кольца;

h — толщина кольца;

40 е1 и е — диэлектрические проницаемости материалов вкладышей; ,и1 и,и2 — магни1 ные проницаемости материала вкладышей.

Такое выполнение приводит к появле45 нию у структуры новых степеней свободы, воздействие на которые выбором материала вкладышей и геометрии (ширины и толщины вкладышей) позволяет изменять ширину рабочего диапазона в широких пре50 делах и добиваться высоких характеристик излучения одновременно в нескольких частотных диапазонах с заданным отношением рабочих частот.

Структура выполнена из кольцевых вкладышей в виде чередующихся вдоль оси рупора пар магнитодиэлектрических колец, геометрические размеры и магнитодиэлектрические параметры которых выбраны из заданных соотношений рабочих частот.

Известный облучатель может обеспечить работу в диапазоне частот 1-2,5, причем на форму и материал вкладышей при этом накладываются строгие ограничения, что делает невозможным обеспечение требуемых характеристик излучения в более широком диапазоне частот или в нескольких диапазонах с заданным соотношением рабочих частот.

Целью изобретения является расширение диапазона рабочих частот и обеспечение работы облучателя в нескольких диапазонах с заданным отношением рабочих частот.

В рупорном облучателе, содержащем металлический рупор, на внутренней стенке которого размещена структура из кольцевых вкладышей, структура выполнена в виде чередующихся вдоль оси рупора пар магнитодиэлектрических колец, геометрические размеры и магнитодиэлектрические параметры которых ьыбраны из соотношения = 2 x/с 4х põ — I: ех = 1 + (1 — О) (е — 1) + О (е1 - 1); ,и, =1+(1 — О)(p2 — 1)+О(и1 — 1); е1 82 еь

9а+ %7 = 5

1711277

Як

0= b/L;

5

На фиг,1. изображен рупорный облучатель с чередующимися вдоль оси магнитодиэлектрическими вкладышами; на фиг,2— структура из кольцевых вкладышей, расположенная на внутренней стенке облучателя; на фиг.3 — расчетный график зависимости 5 уровня излучения от длины волны в облучателе.

Рупорный облучатель состоит из секции

1 преобразования мод, металлического рупора 2 с углом раскрыва р) г и радиусом 10 апертуры а+ h, причем Ка» 1, h «а(где

К = = 2 л/Л; Л- длина волны в свободном пространстве), структуры 3, выполненной из чередующихся вдоль оси рупора пар магнитодиэлектрических колец 4 и 5. Связь 15 между материальными параметрами магнитодиэлектрических колец и, их геометрическими размерами определяется формулой ж„(,„, ),(,. Ъ,|=,, где и = 1, 2 ... f f — рабочие частоты; (= 2x/с 8)(px — 1; я, =1+ (1 — О) (а — 1) + О(я — 1); ,и. =1+ (1 — О) (иг — 1) + O(u — 1);

Е1 82

z !

1 — период структуры (К1 «1);

b — ширина магнитодиэлектрического кольца; 35 . h — толщина; е1 и — диэлектрические прсницаемости материалов; ,и1 и,и2 — магнитные проницаемости материалов колец; 40 с — скорость света.

Указанная формула получена при решении задачи рассеяния плоских C- и Н-поляризованных волн лежащим на металлической подложке слоем частых пе- 45 риодических ячеек, образованных двумя че- . редующимися прямоугольными брусьями из магнитодиэлектрических материалов, что позволяет построить математическую модель, пригодную для описания рупорных 50 облучателей, на внутренней стенке которых размещена структура из пар магнитодиэ-: лектрических колец.

При работе облучателя из преобразова- 5-, теля мод в горловину рупора 2 поступают

СВЧ-колебания заданной частоты и структуры.(типа балансной гибридной моды НЕ11, Поскольку параметры структуры из кольцевых вкладышей 3 по внутренней стенке рупора выбраны удовлетворяющими указанному соотношению, то для СВЧ-колебаний в заданных частотных диапазонах в рупоре поддерживаются условия гибридного баланса, т.е. условия, при которых распространяется и излучается из раскрыва только гибридная балансная мода НЕ11. Мода НЕ11 хорошо согласована с внешним пространством и позволяет обеспечить низкий УБЛ и уровень КП-излучения в заданных частотных диапазонах.

Например, рассмотрим скалярный (ф=

=30 ) рупор с кольцами, выполненными из магнитодиэлектрических материалов с материальными параметрами 81 = б,,и1 = 2, e, = 1,2,,иг = 1,05 соответственно и параметром O= b/L = 0,45 Известно, что ДН скалярного рупора, в котором распространяется и излучается гибридная мода НЕ11 практически лишена боковых лепестков и ее ширина слабо зависит от частоты. Предлагаемая структура сконструирована так, что обеспечивает условия существования гибридных мод НЕ 11 в диапазонах с заданным отношением частот (1Л:б отношение центральных частот диапазонов, 1:4:8 максимально достижимое отношение рабочих частот). На фиг.3 представлен расчетный график зависимости уровня КП-излучения предлагаемого облучателя в зависимости от длины волны. Из графика видно, что в заданных диапазонах уровень Kll-излучения не превышает 40 дБ.

Таким образом, предлагаемые облучатели могут быть использованы как самостоятельные излучатели или облучатели зеркальных антенн с повышенными требованиями к характеристикам излучения для работы в двух и более диапазонах с заданным (произвольным) отношением рабочих, частот без каких-либэ ограничений

Кроме того, облучатели достаточно просты по конструкции, менее массивны и более технологичны в изготовлении чем, например, рупорные облучатели с металлическим гофром с чередующимися канавками различной глубины, что особенно важно в

СВЧ-диапазоне. Предлагаемые облучатели позволяют также излучать большие мощности и характеризуются при этом малыми потерями, кроме того, позволяют также реализовать для внутренней структуры стенок практически любой закон изменения магнитодиэлектрической проницаемости на периоде, что еще больше расширяет возможности управления электромагнитными характеристиками излучающих систем.

1711277 = 2 й/а 4х/4х —,1: е, =1 +(1 — О) (ez — 1) +0(е1 — 1); ,и, =1+ (1 — О) (иг — 1) + 0(и1 — 1);

81 а

"-ЩТЩ=В

+ "- щ (fn и h ф) щ (т. ф и а = -, где n = 1, 2,.„; fq, Юг,... — рабочие частоты;

ru zo л ю и su Аа

Юг.,7

Составитель Н.Орлова

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор О.Кравцова

Редактор И.Шулла

Заказ 346 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения

Рупорный облучатель, содержащий металлический рупор, на внутренней стенке, которого размещена структура из кольцевых вкладышей, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих частот, структура из кольцевых вкладышей выполнена в виде чередующихся вдоль оси рупора пар магнитодиэлектрических колец, геометрические размеры и магнитодиэлектрические параметры которых выбраны из соотношения:,Ид

0= b/L;

L — период структуры;

b — ширина кольца;

h — толщина кольца; е1, а2 „и1 р2- диэлектрические и магнитные проницаемости -материалов пар магнитодиэлектрических - колец ! соответственно; с — скорость света.