Антенная решетка

 

Использование: в антенной технике для непосредственного приема сигналов спутникового телевидения. Сущность изобретения: антенная решетка содержит п параллельных отрезков прямоугольного волновода, на широких сторонах которых выполнены излучающие щели. Щели расположены перпендикулярно оси, ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки отрезка прямоугольного волновода, Дополнительно на широкой стенке каждого из отрезков волновода выполнена дополнительная щель, расположенная вдоль оси. ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки отрезка прямоугольного волновода. 2 з п. флы, 5 ил.

(я)з Н 01 0 13/10, 3/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

О

С) Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5036370/09 (22) 06.03.92 (46) 07.09.93. Бюл, М 33 — 36 (76) Мельников Ю.М. (56) Vers les antennes planes "Electronlgue

Radio Plans", 1990, йв 515. р.р.63 — 68.

Щелевая антенна для приема телевизионного вещания с ИСЗ в диапазоне 12 ГГц.

Радиотехника сверхвысоких частот. Экспресс-информация. — M.: 19&9, N. 34, с.25—

32.

Авторское свидетельство СССР

N. 1543312, кл. С 01 N 22/00, 1987.

Патент США N. 4916458, кл. Н 01 0

13/10, 1990 (прототип). (54) АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

Изобретение относится к антенной технике и может использоваться для непосредственного приема сигналов спутникового телевидения в системах СНТ — OBS и радиовещения, Известна дипольная антенная решетка в печатном исполнении фирмы FUBA, предназначенная для приема спутникового телевидения (11. Она обеспечивает прием сигналов с круговой поляризацией.

Недостатком такой антенны являются очень широкие требования к точности изготовления и большие потери, обусловленные потерями в диэлектрике, в результате чего уменьшается коэффициент усиления антенны, что не может быть скомпенсировано увеличением ее габаритов.

Известна также щелевая антенна, обеспечивающая прием сигналов с круговой поляризацией и используемая для

„„ ЯЦ „„ 2000634 С (57) Использование: в антенной технике для непосредственного приема сигналов спутникового телевидения. Сущность изобретения: антенная решетка содержит п параллельных отрезков прямоугольного волновода, на широких сторонах которых выполнены излучающие щели. Щели расположены перпендикулярно оси, ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки отрезка прямоугольного волновода, Дополнительно на широкой стенке каждого из отрезков волновода выполнена дополнительная щель. расположенная вдоль оси, ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки отрезка прямоугольного волновода. 2 з.п. флы,5 ил, спутникового телевидения (21, Эта антенна имеет более высокий КПД, но распределение поля в ее раскрыве существенно неравномерно в диапазоне рабочих частот.

Недостатком антенны также является сложность конструкции, высокие требования к точности изготовления, о

Этот недостаток устранен в щелевой ан- Ос, тенне, выполненной в виде прямоугольного волновода. в широкой стенке которого про- р резана прямолинейная щель, расположенная по одну сторону от продольной оси этой стенки под углом к этой оси (31.

Однако такая антенна обеспечивает создание направленного излучения только с одним видом поляризации, а именно линейно поляризованного излучения, вектор Е поля которого ориентирован перпендикулярно оси щелей.

2000634

Известна антенная решетка, выбранная в качестве прототипа, состоящая иэ и прямоугольных волноводов с общими боковыми стенками. в широких стенках которых прорезаны излучающие щели (4).

Однако известная антенная решетка имеет низкий коэффициент использования поверхности раскрыва при заданном уровне боковых лепестков.

Цель изобретения — повышение коэффициента использования поверхности раскрыва антенной решетки с заданным уровнем боковых лепестков при обеспечении работы с заданным видом поляризации.

Сущность изобретения заключается в том, что в антенной решетке, состоящей иэ и параллельных отрезков прямоугольного волновода со смежными боковыми стенками, одни концы которых подсоединены к возбуждающему узлу, а другие нагружены нэ согласованные нагрузки, при этом на широких стенках отрезков прямоугольного волновода выполнены излучающие элементы, излучающие элементы выполнены в виде щелей, размещенных перпендикулярно оси, ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки прямоугольного волновода, а также на широкой стенке каждого отрезка прямоугольного волновода прорезана дополнительная щель, расположенная вдоль оси, ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки, кроме того, вдоль оси, параллельной оси параллельных щелей, прорезаны дополнительные щели, каждая I 3 которых размещена симметрично относительно продольной оси соответствующей параллельной щели.

На фиг,1. приведена конструктивная схема антенной решетки; на фиг.2 — излучатель антенной решетки с линейной поляризацией излучения, вектор поля Е которого параллелен плоскости узких стенок отрезка прямоугольного волновода; на фиг,3 и 4 излучатель антенной решетки с эллиптической и круговой поляризацией излучения соответственно.

Антенная решетка содержит и отрезков прямоугольного волновода 1, одни концы которых подсоединены к возбуждающему узлу 2. 8 широких стенках отрезков прямоугольного волновода 1 выполнены ряды щелей 3, размещенных перпендикулярно оси

4, ориентированной под углом к продольной оси 5 широкой стенки отрезка прямоугольного волновода 1. Параллельно оси 4 прорезана дополнительная щель 6 (см.фиг.3). Эта щель может быть выполнена в виде отдельных щелей 7, каждая из которых расположена симметрично относительно продольной оси соответствующей ей щели (см,фиг.4 и 5).

Согласованные нагрузки 8 установлены на других концах отрезков прямоугольного волновода 1.

Предлагаемая антенна работает следующим образом.

При распространении в прямоугольном волноводе волны основного типа для поперечной Нх и продольной Hz составляющих магнитного поля справедливы следующие выражения;

Hx = Ho / g. sln —: лХ

2а

Н2 = — JHo (/ со$—

Л лХ где il — длина волны в свободном простран-стве; а — ширина широкой стенки волновода;

20 Х = О на боковой стенке волновода.

Учитывая, что J =(и, Н) для составляющих тока, текущего по внутренней поверхности широкой стенки, получим:

25 лХ

jZ - AHo i/, Л OZ Sln— (2 а

Jx - — )АН () cos —, (1)

Л лХ

30 где А — коэффициент, связывающий составляющие тока и поля Н.

Из (1) видно. что JZ = О у боковой стенки волновода и достигает максимума на осевой линии широкой стенки волновода.

Система параллельных щелей 3, прорезанных в широкой стенке отрезка прямоугольного волновода 1 в поперечном направлении, будет возбуждаться составляющей тока Jz. Мощность в волноводе будет

40 убывать по мере удаления от генератора эа счет излучения энергии щелями 3, и поэтому, чем дальше расположена щель 3 от воз-. буждающего узла 2 вдоль отрезка прямоугольного волновода 1, тем она будет

45 слабее возбуждаться, Для выравнивания интенсивности возбуждения параллельных щелей 3 они размещены на широкой стенке прямоугольного волновода 1 перпендикулярно оси 4, ориентированной под углом к продольной оси 5 широкой стенки отрезка прямоугольного волновода 1. Таким образом, по мере убывания мощности вдоль отрезка прямоуголь55 ного волновода 1 за счет истечения энергии через щели 3 в соответствии с (1) излучающие щели 3 попадают в область большей интенсивности возбуждения, что компенси2000634 рует уменьшение мощности в отрезке прямоугольного волновода 1.

Изменяя угол между осями 4 и 5, размеры щелей 3 и расстояние между ними, можно в широких пределах менять распределение поля вдоль антенны, причем удается достичь выгодного компромисса между усилением антенны и уровнем боковых лепестков. При такой конфигурации антенна излучает поле линейной поляризации, вектор Е которого ориентирован перпендикулярно щелям 3. При этом антенна создает практически продольнополяриэованное излучение (вектор Е лежит в плоскости, содержащей ось антенны), в то время как устройство-прототип при входных пространственных характеристиках излучения может создать только поперечно-поляризованное излучение.

Асимметричное расположение щелей на внешней поверхности широкой стенки приводит к поляризованным искажениям излучения за счет асимметрии токов, текущих по внешней поверхности антенны, в случае выполнения ее в виде отдельного

Волновода.

При использовании излучателя в решетке, раскрыв которой представляет собой единый проводящий лист с прорезанными в нем щелями (см.фиг.1), причины возникновения асимметрии токов на внешней поверхности листа исключаются и поля риэацион ная чистота излучения антенны резко увеличивается.

При большом числе щелей 3 расстояние между ними некритично и определяется требуемым законом распределения поля вдоль линейной решетки и общеизвестными соображениями по недопущению возникновения больших по, уровню дифракционных лепестков. Расположение щелей 3 может быть неэквидистантным.

Для создания эллиптически-поляризованного излучения рядом с системой поперечных параллельных щелей 3 прорезана по всей длине широкой стенки продольная щель 6 (см.фиг.3), Продольная щель 6 возбуждается составляющей тока jx и создает излучение, поляризованное ортогонально излучению системы поперечных щелей 3.

Наличие фазового сдвига л/2 между составляющими тока jx u jz (1) в каждом сечении отрезка прямоугольного волновода 1 обеспечивает создание эллиптически-поляризованного излучения.

Если расстояние между линиями р."сположения поперечных и продольной щелей 3 и 6 постоянно и равнО а /2, То в любом сечении волновода 1 выполняется соотношение (2) 5

10 что и подтверждает, что излучение антенны эллиптически-поляризовано.

Параметры эллипса поляризации могут в широких пределах варьироваться выбором и расположением поперечных и продольной щелей 3 и 6, а также выбором отношения А/ 2а . Для получения поляризации с обратным направлением вращения вектора поля поперечные и продольная щели 3 и 6 меняются на широкой стенке местами. Линия расположения поперечных

15 щелей 3 начинается от боковой стенки Х=а и приближается к осевой линии, а продольная щель 6 начинается от осевой линии и приближается к боковой стенке Х=О.

Несмотря на то, что такая конструкция

20 позволяет создавать излучение с широким диапазоном параметров эллипса поляризации, получение круговой поляризации при такой конструкции в диапазоне частот затруднено, так как поперечные щели 3 и про25

Ея «jz — — = — =j.

Е Jx (3) дальная щель 6 создают разный фазовый сдвиг излученного поля по отношению к фазе возбуждающего тока. Для того чтобы указанный сдвиг был одинаковым, продольная

30 щель разбивается на отдельные щели так, чтобы каждой иэ поперечных щелей соответствовала точно такая же по конфигурации перпендикулярно к ней расположенная щель. У такой пары взаимно ортогональных

35 щелей амплитудно-фаэовые характеристики излучения будут идентичны, и характер их суммарного излучения будет зависеть лишь от характера их возбуждения, т.е. от взаимного их расположения на широкой

40 стенке волновода.

Устройство в соответствии с и. 3 формулы изобретения (см,фиг.4 и 5) позволяет получить излучение с круговой поляризацией. Каждая щель из любой пары соседних

45 взаимно ортогональным щелей 3 и 7 излучает одинаковые по амплитуде и фазе поля на любой частоте при одинаковых размерах двух ортогональных щелей и одинаковых возбуждающих токах. Поэтому для одинако50 вых ортогональных щелей, центры которых расположены в плоскости одного и того же поперечного сечения отрезка прямоугольного волновода 1, если, например, расстояние между их центрами составляет а/2, а

55 А = а V2, то с учетом(2) имеем

2000634

50 где Ев — составляющая вектора электрического поля, лежащая в плоскости, нормальной к широкой стенке и содержащей ось 4;

Š— составляющая вектора электриче° 1 ского поля, перпендикулярная плоскости, нормальной к широкой стенке и содержащей ось 4.

Иэ (3) следует, что взаимно ортогональные компоненты поля излучения равны по амплитуде и имеют фазовый сдвиг a/2, т.е. излученное поле имеет чисто круговую поляризацию. Так как это справедливо для любой пары взаимно ортогональных щелей, то справедливо и для всей решетки.

На фиг.5 представлена конструкция, обеспечивающая излучение поля круговой поляризации противоположного вращения.

Устройство по п.1, было изготовлено и исследовано экспериментально. Результаты эксперимента подтвердили возможность получения антенны с хорошими характеристиками. В прямоугольном волноводе 23х10 мм перпендикулярно прямой, расположенной под углом 1О к осевой линии волновода, в широкой стенке на длине 430 мм прорезаны 75 щелей размерами 8 х 1 мм. Один конец первой щели примыкает к внутренней поверхности узкой стенки волновода, центр последней щели лежит на осевой линии волновода.

Измерялось распределение поля вдоль антенны для разных частот, зависимость мощности, поглощаемой в нагрузке, от частоты, зависимость KCBH от частоты.

В среднем измеренная разность между мощностью генератора и мощностью, попадающей в нагрузку, составила = 1 дБ, т.е. в нагрузку уходит 79 . Столь незначительная интенсивность излучения при выбранной геометрии антенны говорит о больших возможностях для создания высоконаправленной антенной решетки.

Для снижения потерь в нагрузке следует расширять щели и увеличивать общую длину антенны, что делает конструкцию более технологичной, а антенну более направленной, Это легко реализуемо, так как эксперимент с устройством-аналогом (31, имеющим одну сплошную щель длиной 500 мм и шириной 3 мм, расположенную на широкой стенке под углом к осевой линии волновода, показал, что в диапазоне 7,6 — 9,4

ГГц (20 Ц доля Molцности, поглощаемой нагрузкой, не превышает 57.

Измеренное распределение поля имеет лишь слабую неравномерность, не превышающую 3 дБ при резком спаде у концов антенны, причем максимум поля сдвинут к концу волновода, содержащему нагрузку.

Это подтверждает то, что имеются широкие воэможности для увеличения интенсивности излучения энергии щелями.

В диапазоне 8,2 — 12,5 ГГц разность между мощностью генератора и мощностью, попадающей в нагрузку, находится в интервале 1-2,2 дБ, медленно и монотонно возрастая с частотой.

В этом же диапазоне КСВН 1,16, Формула изобретения

1. Антенная решетка, состоящая из п параллельных отрезков прямоугольного волновода, одни концы которых подсоединены х возбуждающему узлу, а другие нагружены на согласованные нагрузки, при этом на широких стенках отрезков прямоугольного волновода выполнены излучающие элементы в виде параллельных щелей, отличающаяся тем, что параллельные щели размещены перпендикулярно оси, ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки отрезка прямоугольноГо волновода.

2. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что на широкой стенке каждого иэ отрезков прямоугольного волновода выполнена дополнительная щель, расположенная вдоль оси, ориентированной под углом к продольной оси широкой стенки отрезка прямоугольного волновода.

3. Решетка по п.1, отл и ч а ю ща я с я тем, что вдоль оси, параллельной оси размещения параллельных щелей каждого иэ отрезков прямоугольного волновода, выполнены дополнительные щели, причем центры каждой из параллельных щелей и соответствующей ей дополнительной щели лежат в плоскости одного и того же поперечного сечения отрезка прямоугольного волновода.

2000634 фиг. иа. 2

Ф

9bwa. 3 я .4 Фь . 5

Составитель Ю, Мельников

Редактор А. Купрякова Техред М.Моргентал Корректор Н. Ревская

Заказ 3080

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

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