Широкополосная турникетная антенна

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве элемента фазированной антенной решетки или самостоятельной антенны с круговой поляризацией излучения. Широкополосная турникетная антенна содержит две парыполуволновь1х прямолинейных симметричных-вибраторов 1, размещенных взаимно ортогонально в полом резонаторе 2, верхний металлический зкран 3, средний металлический экран 4, металлические стойки 5, симметрирующее устройство 6, металлическую пластину 7, квадратурный мост 8, диэлектрические кронштейны 9, центральный проводник симметрирующего устройства. Введение верхнего 3 и среднего металлического 4 экранов, а также выбор их размеров и взаимного положения позволяет скомпенсировать взаимное влияние токов на поверхностях вибраторов и резонатора и уменьшить характеристическое сопротивление антенны, приблизив его к Ч.ИСТО активному, что обеспечивает улучшениесогласования и повышение КУ в рабочем диапазоне частот. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.СО

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4810201/09 (22) 04..04.90 (46) 15.02;92, Бюл. гв 6 (71) Научно-производственное объединение прикладной механики (72) Г, М. Козлова, Н. П. Шарин, Е. А. Успанов, В, А. Миронов и С; B. Иванов (53) 621.396.677(088.8) (56) Патент США Мт 3740754, кл, Н 01 Q 21/26, 1973. (54) ШИРОКОПОЛОСНАЯ ТУРНИКЕТНАЯ

АНТЕННА (57) Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве элемента фазированной антенной решетки или самостоятельной антенны с круговой поляризацией излучения. Широкополосная турникетная антенна содержит две пары

Изобретение относится к антенной технике, предназначено для приема или излучения электромагнитных волн с вращающейся поляризацией, и может быть использовано как самостоятельная антенна, так и в качестве излучателя фазированных антенных решеток.

Известна турникетная антенна, содержащая прямолинейные симметричные вибраторы, расположенные над металлическим экраном параллельно последнему.

Известна турникетная антенна, состоя1 щая из двух взаимно ортогональных V-образных вибраторов, запитываемых со сдвигом фаз 90О.

Для расширения рабочей полосы частот по согласованию в состав антенны дополнительно введены четыре несимметричных

„„. К „„1712995 А1 полуволновых прямолинейных симметричных- вибраторов 1, размещенных взаимно ортогонально в полом резонаторе 2, верхний металлический экран 3, средний металлический экран 4, металлические стойки 5, симметрирующее устройство 6, металлическую пластину 7, квадратурный мост 8, диэлектрические кронштейны 9, центральный проводник симметрирующего устройства.

Введение верхнего 3 и среднего металлического 4 экранов, а также выбор их размеров и взаимного положения позволяет скомпенсировать взаимное влияние токов на поверхностях вибраторов и резонатора и уменьшить характеристическое сопротивление антенны, приблизив его к чисто активному, что обеспечивает улучшениесогласования и повышение КУ в рабочем (Л диапазоне частот. 1 з.п. ф-лы, 8 ил. (пассивных вибратора, установленных на.рефлекторе.

Известна также турникетная антенна, в которой улучшение коэффициента эллип-. 3 тичности и расширение полосы частот по согласованию достигнуто тем, что металли- - сО ческие проводники, размещенные парал- (Л лельно каждому плечу симметричного вибратора, замкнуты введенными дополни-. тельными проводниками с соответствующими дополнительными вибраторами, расположенными ортогонально им.

Недостатком:описанных турникетных антенн является сравнительно низкий коэффициент усиления (КУ) и высокий коэффициент стоячей волны (КСВ).

Наиболее близким по своей конструкции к предлагаемой является широкополосная турникетная антенна, состоящая из

1712995 прямолинейных вибраторов, расположен- ных в полом резонаторе, Однакотакая антенна имеетплохоесогласование (максимумы KCB не ниже 2,5, характеристика имеет большую неравномерность в полосе частот).

Цель изобретения — улучшение согласования и повышение коэффициента усиления турникетной антенны в широкой полосе частот. . Указанная цель достигается тем, что в широкополосной турникетной антенне, содержащей две пары полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов, размещенных в одной плоскости ортогонально в полом резонаторе и подключенных к квадратурному мосту посредством симметрирующего устройства, полуволновые прямолинейные симметричные вибраторы установлены над дном полого резонатора на высоте 0,198Хи введены средний металлический экран диаметром (0,22 — 0,26) А, гдето — средняя длина волны рабочего диапазона, размещенный на расстоянии (0,039 — 0,045) 1 от плоскости расположения полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов, под ними, и гальванически связанный с дном полого резонатора, и верхний металлический экран диаметром (0,3—

0,324) А, установленный на рассгоянии (0,025 — 0,03) А от плоскости расположения полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов, над ними, при этом центральный проводник симметрирующего устройства соединен с противолежащим плечом соответствующего полуволнового прямолинейного симметричного вибратора посредством введенной металлической пластины шириной 0,006il, .

При этом средний металлический экран гал ьванически связан с дном полого резонатора посредством четырех металлических стоек, расположенных на окружности диаметром 0,144 il под соответствующими.плечами floëóâoëíовых прямолинейных симметричных вибраторов.

На фиг. 1 изображена широкополосная турникетная антенна, общий вид; на фиг. 2 — то же, разрез; на фиг. 3 — место подключения симметрирующего устройства к вибраторам; на фиг. 4 и 5 — электрические характеристики широкополосной турникетной антенны в полосе частот: согласование, коэффициент усиления и коэффициент эллиптичности при оптимальных геометрических параметрах; на фиг. 6 — графики КУ турникетной антенны при трех значениях диаметра верхнего экрана; на фиг. 7 — зависимости КСВ от частоты при трех различных расстояниях от плоскости расположения вибраторов до верхнего экрана; на фиг. 8— графики КУ широкополосной турникетной антенны при различном расположении сто5 ек среднего экрана.

Широкополосная турникетная антенна (фиг. 2) содержит два полуволновых прямолинейных симметричных вибратора 1, установленных в полом резонаторе 2, 10 верхний экран 3, средний экран 4 и четыре металлических стойки 5, систему запитки для каждого вибратора, состоящую из симметрирующего устройства 6 с соединительной пластиной 7, квадратурный мост 8, 15 обеспечивающий фазовый сдвиг 90 между вибраторами для получения поля круговой поляризации.

Верхний экран 3 установлен на диэлектрических кронштейнах 9, обеспечивающих

20 механическое крепление и гальваническую изоляцию экрана. Экран 4 имеет в центре отверстие такого диаметра, чтобы трубки симметрирующего устройства не имели гальванического контакта с этим экраном.

25 Запитываются вибраторы по схеме обычного симметрирующего шлейфа, но с использованием дополнительной металлической пластины 7, соединяющей центральный проводник 10 с противолежащим плечом

30 вибратора (фиг, 3).

В процессе экспериментальной отрабртки характеристики согласования турникетной антенны возможно улучшение согласования антенны при условии разме35 щения вибраторов, установленных в резонаторе (или над экраном), между двумя металлическими экранами на расстоянии меньшем, чем А /4. от дна резонатора, т.е. расстоянии отличном от обычного1 /4. Даль40 нейшее улучшение согласования достигается тем, что соединение центрального проводника симметрирующего устройства с противолежащим ему плечом вибратора осуществляется посредством тонкой метал45 лической пластины, Ширина пластины подбирается эмпирически по величине значения КСВ антенны. Измерения электрических характеристик показали, что КУ такой антенны выше, чем у известных антенн.

50 Кроме того, КУ еще более повышается при определенном выборе местоположения металлических стоек среднего экрана.

На графиках фиг. 4 и 5 приведены наилучшие электрические характеристики тур55 никетной антенны, полученные при оптимальных геометрических параметрах: расстояние от плоскости расположения вибраторов 1 до дна полого резонатора 2 составляет 0,1981; диаметр экрана 3 равен

1712995

10

20

0,312 Л; диаметр экрана 4 — 0,24 it; экран

3 установлен на расстоянии 0,0276 il,, а экран 4 — на расстоянии 0,042 Л от плоскости расположения вибраторов 1; соединительная пластина 7 имеет ширину 0,006 Л; четыре стойки 5 экрана 4 расположены на диаметре 0,144 it под соответствующими плечами вибраторов. Значения KGB широкополоснойтурникетной антенны не превышают 1,5 в полосе частот 57, а значение

КУ не ниже 9,,0 дБ (в максимуме 9,7 дБ).

Улучшение электрических характеристик предлагаемой антенны по сравнению с соответствующими характеристиками известных антенн объясняется следующим: сочетание новых элементов антенны при определенных геометрических параметрах позволяет скомпенсировать паразитное взаимовлияние между токами на поверхности полого резонатора и вибраторов, снижает характеристическое сопротивление антенны, приблизив его к чисто активному, что и приводит к улучшению согласования.

Повышение КУ происходит вследствие улучшения характеристик согласования антенны, а также за счет дополнительной фокусировки излучаемого поля экранами 3, 4 и стойками 5.

Предлагаемая широкополосная турникетная антенна содержит полый резонатор размером 0,84 х 0,84 Л, образованный нижним экраном (дном резонатора) и бортиком.

Аналогичные электрические характеристики получены при размещении турникетной антенны над плоским экраном размером 2 .Л . Следовательно, использование полого резонатора позволяет значительно уменьшить габариты широкополосной турникетной антенны, а также снизить величину взаимовлияния между элементами антенной решетки, излучателем в которой служит предлагаемая антенна.

Экспериментальные исследования широкополосной турникетной антенны показали, что изменение геометрических параметров антенны в некоторых пределах относительно оптимальных приводит к незначительному ухудшению электрических характеристик: снижению КУ на величину не более 0,2-0,5 дБ, ухудшению КСВ до уровня

1,6-1,75. Так, на фиг. 6 приведены экспериментальные зависимости КУ, измеренные при следующих размерах экрана 3: 0,3 Л(пунктир);

0,312 Л вЂ” оптимальный размер диаметра экрана (сплошная линия); 0,32 (штрихпунктир) при оптимальных остальных параметрах.

При изменении диаметра экрана 4 от

0,22 до 0,26 Л снижение значений КУ не превышает 0,2 дБ.

На графиках фиг. 7 приведены зависи. мости КСВ широкополосной турникетно антенны при следующих расстояниях о плоскости вибраторов до экрана 3: 0,025Л (пунктир); 0,0276 Л (сплошная линия); 0,0:

Л (штрихпунктир).

При изменении расстояния от плоско. сти вибраторов до экрана 4 в пределах.о

0,039 до 0,045 it KCB антенны не хуже 1,6.

При одновременном изменении геометрических параметров в описанных выш пределах снижение КУ не превышает 0,5 дБ

КСВ не хуже 1,75.

На фиг, 8 приведены некоторые из экспериментальныхых зависимостей КУ, илл юстрирующих выбор оптимальногс местоположения металлических стоек сред.. него экрана: сплошная линия — стойки расположены на диаметре 0,114 it под вибраторами (оптимальный вариант); пунк. тир — стойки расположены на диаметре

0,114 Л под углом 45 к вибраторам; штрихпунктир — стойки расположены на диаметре

0,096 Л под углом 45 к вибраторам; точечный пунктир — стойки выполнены из диэлектрика. Остальные геометрические параметры при этом оставались оптимальными.

Отсутствие соединительной пластины 7 приводит к ухудшению согласования антенны до уровня КСВ 1,9 — 2,5 и, следовательно. к снижению КУ за счет отражения на 0,5 — 0,8 дБ относительно оптимального. Изменение геометрических параметров в более широких, чем описано выше, пределах приводит к значительному ухудшению электрических характеристик широкополосной турникетной антенны.

Настройка опытной партии широкополосных турникетных антенн показала хорошую повторяемость электрических характеристик от образца к образцу.

Использование mMpoKQRQRocHQA турникетной антенны в радиолиниях позволяет снизить паразитные потери сигнала на переотражения от входа антенны за счет лучшего согласования; более .высокий КУ позволяет повысить мощность радиолинии на 2,3 — 2,8дБ или снизить требования к мощности передающей аппаратуры (чувствительности приемника); при использовании антенны в качестве излучателя ФАР уменьшается общее количество элементов решетки за счет большей направленности предлагаемой антенны.

Формула изобретения

1. Широкополосная турникетная антенна, содержащая две пары полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов, 1712995

50

55 размещенных в одной плоскости ортогонально в полом резонаторе и подключенных к квадратурному мосту посредством симметрирующего устройства, о т л и ч а ю щ ая с я тем, что, с целью улучшения согласования и повышения коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот, полуволновые прямолинейные симметричные вибраторы установлены над дном полого резонатора на высоте 0,1981. с, введены средний металлический экран диаметром (0,22 + 0,26) 1 с, гдето c — средняя длина волны рабочего диапазона, размещенный на расстоянии (0,039 — 0,045)il, от плоскости расположения полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов, под ними,и гальванически связанный с дном полого резонатора, и верхний металлический экран диаметром (0,3-0,324) iL <, установленный на расстоянии (0,025-0,03) А с от плоскости расположения полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов, над ними, при

5 этом центральный проводник симметрирующего устройства соединен с противолежащим плечом соответствующего полуволнового прямолинейного симметричного вибратора посредством введенной ме10 таллической пластины шириной 0,006 Ас.

2. Антенна поп. 1, отл и ча ю ща я с я тем, что средний металлический экран гальванически связан с дном полого резонатора посредством четырех металлических стоек, 15 расположенных на окружности диаметром

0,144 Х с под соответствующими плечами полуволновых прямолинейных симметричных вибраторов.

1712995

1712995

2.5

2.0

Фхг.4.

КУ,ДБ

КЗ Ео

I0 р.о

0,8.7

0.7

0.7774

0.86У У

I.I7F I.337

I I7Ff I 33zi

Czr.5

I. 57< Е. 6?У

1712995

9.5

9.0

8.5

В.О

7 ° 5

L. I7P Х.ЗЗУ I. Я I . 67E

Фиг.б.

2. I

I.9

I.7

I.5

Е.3

О ° 77

55

0.77 F3, Е.Е7Г Х.ЗЗГ

Фиг.7.

I-GPSS I 67уА

1712995 о

Составитель Г. Козлова

Редактор Л.Веселовская Техред М.Моргентал Корректор Т. Малец

Заказ 539 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

C) LO

С) CD м сз в о а

Ф е со со t

Р

CQ с 3