Широкополосная антенна

 

Использование: радиотехника. Сущность изобретения: широкополосная антенна содержит плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями. В одном металлизированном слое выполнена система возбуждения, а в другом - излучающий рупор. Излучающий рупор образован двумя пересекающими рупорами, точка пересечения смежных стенок которых лежит на оси симметрии излучающего рупора. Расстояние от этой точки до каждой наружной стенки излучающего рупора больше половины длины волны. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в широкополосных антеннах, где применяются поперечные и продольные излучатели. Такие излучатели реализуют рупорные, линзовые, зеркальные, дискретные антенны, антенны поверхностных волн и антенны в виде открытых продольных излучателей [Кюн Р. Микроволновые антенны. М. Судостроение, 1967, с.95, 198, 258, 304, 373, 420] Указанные антенные системы (АС) являются эффективными устройствами, позволяющими получать технические параметры в ограниченной полосе частот. При попытке создания АС с полосой пропускания в несколько октав (до декады) возникают значительные технические трудности с обеспечением высоких электрических параметров (ширины диаграммы направленности (ДН), низкого уровня боковых лепестков, коэффициента усиления (КУ)) в указанной полосе частот.

Известно техническое решение, описанное в патенте США N 4001834, 1977, где предложена сборка из печатной антенны и передающей линии, изготовленных на единой плате. На одной стороне платы (лицевой) основная поверхность занята металлизированным (медным) проводником. На металлизации удалена часть поверхности, ограниченная конусом (рупором), сужающаяся часть которого переходит в щелевую линию. Если ВЧ энергия поступает через щелевую линию, то края конуса заставляют связаться с пространством. Положение точки, в которой выполнено соединение микрополоска относительно щелевой линии, определяет импеданс антенны. На оборотной стороне платы расположен микрополосковый проводник, работающий в качестве передающей ВЧ линии (система возбуждения). Микрополосок проходит по щелевой линии и обеспечивает емкостную связь с последней, Недостатками указанного устройства являются: относительно узкая полоса пропускания (до октавы); относительно большая линейная протяженность в несколько длин волн; значительные сложности согласования раскрыва антенны со свободным пространством в полосе частот.

Целью изобретения является расширение полосы пропускания АС до декады; уменьшение линейной протяженности АС; получение динамического амплитудно-фазового распределения (АФР) на апертуре, что позволит довольно просто решить вопросы расширения полосы пропускания, согласование раскрыва АС со свободным пространством, а также модификации ее ДН в широкой полосе частот.

Это достигается тем, что в широкополосной антенне, содержащей плоскую диэлектрическую основу с металлизи- рованными слоями, в которых выполнена система возбуждения и излучающий рупор, связанный с ней, излучающий рупор образован двумя пересекающимися рупорами, точка пересечения смежных стенок которых лежит на оси симметрии излучающего рупора на расстоянии больше половины длины волны до каждой наружной стенки в направлении, перпендикулярном оси симметрии.

Такая конструкция АС с неоднородностью в апертуре в виде скачкообразного перехода позволяет реализовывать направляющую систему (область связи длиной l), в которой созданы условия для возбуждения распространяющихся высших и низших мод, т.е. получить динамическое амплитудно-фазовое распределение на раскрыве, что позволяет довольно просто решить вопросы расширения полосы пропускания, согласования АС со свободным пространством и модификации ее ДН в широкой полосе частот.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена широкополосная антенна; на фиг.2 механизм переотражений собственных волн на неоднородностях; на фиг. 3 и 4 принцип суперпозиции распространяющихся мод для случаев синфазного и противофазного возбуждения неоднородности скачкообразного перехода; на фиг.5 нормированные ДН для случаев синфазного (С=О) и противофазного (С= ∞) возбуждения апертуры.

Предлагаемая антенна выполнена с применением современной технологии печатных плат, которые отличаются компактностью, малой массой и высокой технологичностью.

На фиг.1 обозначены: 1 плоские рупоры (конусы), выполненные на металлизированном диэлектрике; 2 щелевые линии; 3 микрополосковые линии (система возбуждения АС); 4 область связи длиной l (скачкообразный переход М); 5 наружная образующая верхнего плоского рупора (конуса); 6 наружная образующая нижнего плоского рупора (конуса); 7 внутренняя образующая верхнего плоского рупора (конуса); 8 внутренняя образующая нижнего плоского рупора (конуса); сплошные линии лицевая сторона платы, затушеванная часть лицевой стороны соответствует наличию металлизации, пунктиром обозначены микрополосковые линии на оборотной стороне платы, которые реализуют систему возбуждения АС; линия О₁О ось симметрии излучающего рупора, проходит через точку О и перпендикулярна раскрыву АС; линия O' O" характеризует местоположение плоскости стыка неоднородности скачкообразного перехода; линия O"' O"" характеризует местоположение плоскости стыка неоднородности "раскрыв свободное пространство". Точка О, образованная пересечением внутренних образующих 7 и 8, характеризует местоположение неоднородности внутри направляющей системы, ограниченной наружными образующими 5 и 6, для которой строго могут быть сформулированы граничные условия. Справа от точки О линейный размер апертуры скачком увеличивается в два раза. В области связи возникают условия для возбуждения высших и низших распространяющихся мод. Точки O"', O"" также характеризуют неоднородности, в которых направляющая система стыкуется со свободным пространством (стык О'''O""). Протяженность скачкообразного перехода (область связи М) характеризуется расстоянием между стыками O'O" и O"'O"" l.

В качестве элементов нулевого уровня не обязательно должны быть рупоры 1, в общем случае можно использовать любые плоские излучатели, образующие которых описываются отдельной экспонентой или набором экспонент. Желательно, чтобы пресечение образующих 7 и 8 описывалось разрывной функцией, т.е. образовывали острие, а не гладкую кривую.

На фиг. 2 изображены переотражения собственных волн между неоднородностями в направляющей системе (области связи М), где плоскость 1 соответствует стыку O'O", часть пространства слева от плоскости стыка О'О" обозначена как область I, плоскость 2 соответствует стыку О"'О"", пространство справа от стыка обозначено как область II (свободное пространство). На плоскость 1 слева падает волна Ео единичной амплитуды структуры Н₁. Часть энергии отражается обратно в область I в виде волны того же типа с амплитудойN_n}_II. Оставшаяся часть проходит в область М в виде волн Н_р (сплошные линии) с амплитудамиN_m}_1p, где p 1,2,3.i,j,k, Количество волн в области M не ограничивается. У плоскости 2 волны Н_р приобретают дополнительный фазовый набег и имеют амплитуды P_1p. Каждая из волн Н_р на плоскости 2 преобразуется в прошедшую волну области II с амплитудой P_1pR_p1 и в отраженные волны учитываемых типов с амплитудами P_1pM_m}_pg, где p,g1,2,3,i,j,k. Отраженные волны вновь попадают на плоскость 1, частично проходят в область 1, остальная часть отражается в свою очередь в виде набора учитываемых волн. Рассмотрев несколько последовательных отражений, можно обнаружить ряд закономерностей, позволяющих рассчитать амплитуды A_m^I и A_m^II поля, появившегося соответственно в областях I и II за счет многократных переотражений волн между неоднородностями. Амплитуды A_m^I и A_m^II равны сумме слагаемых, количество которых соответствует числу учитываемых волн, каждое слагаемое равно произведению коэффициента V_p1для A_m^I или R_p1 для A_m^II на суммарную амплитуду (с учетом всех переотражений ) волны с индексом p в области M.

Если на плоскость 1 одновременно падает несколько волн структуры Н₁, то кроме рассмотренного механизма переотражений между волнами одинаковой структуры наблюдается суперпозиция. Благодаря суперпозиции можно выделить либо только четные, либо только нечетные волны, либо получить набор волн с нужными амплитудами, а за счет подбора протяженности l получить требуемый фазовый набег. На фиг. 3 и 4 поясняется механизм суперпозиции для самого простого случая, когда в области М учтены только одна четная и одна нечетная моды, при возбуждении неоднородности скачкообразного перехода (при этом механизм переотражений волн не pассматривается).

При синфазном (фи.3) и противофазном (фиг.4) возбуждении плоских рупоров волной Н₁ в силу граничных условий и условий возбуждения неоднородности в области М распространяются низшие 1¹, 2¹ и высшие 1", 2" моды. При синфазном возбуждении перехода моды 1¹ и 2¹ окажутся в фазе, а 1" и 2" в противофазе, в результате суперпозиции останется только результирующая мода (1¹ + 2¹) нечетная, при противофазном возбуждении останется только результирующая мода (1" + 2") четная. Рассмотренные механизмы переотражений собственных волн на неоднородностях и суперпозиции позволяют получить набор мод с нужным отношением их амплитуд и требуемым фазовым набегом, что реализует динамическое АФР на раскрыве АС и тем самым обеспечивает создание широкополосной АС с легко модифицируемой ДН.

Для простейшего случая возбуждения апертуры четной и нечетной распространяющимися модами распределение электрического поля в раскрыве можно представить в виде E_(x,y)= E_o(cos x + Ce^jΔΨ sin x) (1) где E_o= A₁e; Ce^jΔΨ e A₁, Ψ₁ амплитуда и фаза моды Н₁; A₂, Ψ₂ амплитуда и фаза моды Н₂;
Нормированное значение функции усиления раскрыва с АФР (1) описывается выражением
D(u) sin ΔΨ + cos ΔΨ (2) где U sin Θ cosϕ направляющиекосинусы;
размер раскрыва, нормированный к длине волны;
Θ,ϕ пространственные углы сферической системы координат.

На фиг. 5 построены нормированные ДН согласно (2), соответствующие случаям синфазного (С= 0) и противофазного (С=10⁵) возбуждения неоднородности перехода.

Из изложенного становится очевидным, что задачи, поставленные при разработке данного технического решения, полностью решены предлагаемой конструкцией антенны, которая реализует динамическое амплитудно-фазовое распределение на апертуре, довольно просто решает вопрос согласования АС со свободным пространством и модификацию ее ДН в широкой полосе частот.

Предлагаемое изобретение это весьма совершенная микрополосковая антенна, выполняемая с применением современной технологии печатных плат, отличающаяся компактностью, малой массой и высокой технологичностью. Интерес к таким антеннам в последние годы значительно возрос в связи с заметными успехами в области технологии изготовления больших печатных плат, а также благодаря созданию новых диэлектрических материалов для подложек. Все это показывает, что данная антенна найдет широкое применение в электротехнике.

Формула изобретения

ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА, содержащая плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнена система возбуждения и излучающий рупор, связанный с ней, отличающаяся тем, что излучающий рупор образован двумя пересекающимися рупорами, точка пересечения смежных стенок которых лежит на оси симметрии излучающего рупора на расстоянии больше половины длины волны до каждой наружной стенки в направлении, перпендикулярном оси симметрии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5