Плоская антенная решетка с различными поляризациями

 

Использование: в радиотехнике, в частности в антенных приемопередающих системах, работающих либо в широком диапазоне частот, либо о большим разносом частот приема-передачи. Сущность: антенная решетка содержит излучатели прямоугольной формы, непосредственно под излучателями на диэлектрической плате выполнены отверстия, возбуждающее устройство расположено с внутренней стороны диэлектрической платы и его входы присоединены к выходам двух систем питания, между излучателями и возбуждающими устройствами расположены зонды, причем между зондами и диэлектрической платой коаксиально расположены согласующие устройства, выполненные в виде диэлектрических шайб. Достигаемый результат: предложенная конструкция антенной решетки обеспечивает расширение полосы рабочих частот как по излучению, так и по коэффициенту эллиптичности. 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенных приемопередающих системах, работающих либо в широком диапазоне частот, либо с большим разносом частот приема-передачи.

Известна плоская антенная решетка /1/, содержащая диэлектрическую подложку, с одной стороны которой расположен металлический экран, с другой - прямоугольные излучатели и система питания на основе полосковой линии, имеющая один вход и количество выходов, равное количеству излучателей. Размеры прямоугольного излучателя и точка питания выбраны для обеспечения антенне режима круговой поляризации.

К недостаткам указанной антенной решетки можно отнести: один поляризационный режим; узкую полосу рабочих частот по коэффициенту усиления и коэффициенту эллиптичности, сложность обеспечения высокого коэффициента эллиптичности.

Наиболее близкой по технической сущности является плоская антенная решетка с различными поляризациями, содержащая установленные одна под другой защитную крышку, проводящую пластину с излучающими отверстиями, диэлектрическую плату и экранирующую пластину, возбуждающие элементы с выходом для сигналов различных поляризаций, две системы питания для приема/передачи сигналов различных поляризаций, включающие элементы питания и выходные зонды, расположенные в выходном волноводе, размещенном в центре антенной решетки, причем на внутренней поверхности защитной диэлектрической крышки выполнена решетка отражающих элементов, расположенных соответственно над излучающими отверстиями в проводящей пластине, диэлектрическая плата расположена между экранирующей и проводящей пластинами, при этом возбуждающие элементы с выходами для сигналов различных поляризаций и две системы питания для приема/передачи сигналов различных поляризаций размещены на одной поверхности диэлектрической платы без пересечения проводников, а каждая из систем питания для приема/передачи сигналов различной поляризации имеют пару соосных выходных зондов, причем оси пар соосных выходных зондов ортогональны и лежат в одной плоскости поперечного сечения выходного волновода с пересечением в его центре, и выходы для сигналов различных поляризаций другой половины возбуждающих элементов подключены к другим выходным зондам пар соосных выходных зондов, а сами возбуждающие элементы выполнены в виде элементов круговой поляризации, в виде двух ортогональных зондов /2/.

Недостатком антенной решетки является узкая полоса рабочих частот, обусловленная использованием узкополосной излучающей структуры "возбуждающий элемент круговой поляризации - излучающее отверстие в металлической пластине - отражающий элемент на защитной диэлектрической крышке". Ширина полосы рабочих частот такой структуры ограничена как по излучению в полосе частот, так и по коэффициенту эллиптичности. Использование структуры "диэлектрик-металл-диэлектрик-металл" приводит к диэлектрическим потерям (поскольку излучаемое поле сосредоточено в диэлектрике между металлической платиной и экранирующей пластиной).

Изобретение направлено на расширение полосы рабочих частот антенной решетки как по излучению, так и по коэффициенту эллиптичности.

Это достигается тем, что в плоской антенной решетке с различными поляризациями использованы излучатели прямоугольной формы, причем стороны прямоугольных излучателей выполнены с выемками или выпуклостями, радиус которых лежит в пределах R = 1/2 a÷∞, а контуры выемок или выпуклостей выполнены по линейному или отличному от линейного закону, что позволяет расширить полосу излучаемых рабочих частот Δf за счет создания в излучателе резонансных областей для этого диапазона частот.

На диэлектрической плате непосредственно под излучателями выполнены отверстия (перфорация), количество и форму которых выбирают из соображения удовлетворения двум условиям: наибольшая площадь отверстий при сохранении механической прочности структуры. Отверстия снижают диэлектрическую проницаемость диэлектрического заполнения излучателем, тем самым снижаются диэлектричекие потери в излучателе и расширяется полоса его рабочих мест.

Возбуждение излучателей для создания круговой поляризации осуществляют через возбуждающее устройство, выполненное в виде 90-градусного моста, размещенного с внутренней стороны диэлектрической платы, причем излучатель служит для 90-градусного моста экраном. Мосты обладают широкой полосой частот, в которой обеспечивается необходимый фазовый сдвиг между выходными сигналами. Использование такого устройства позволяет расширить полосу рабочих частот по коэффициенту эллиптичности.

Возбуждение излучателей осуществляется с помощью зондов, проходящих сквозь диэлектрическую плату и соединяющих выходные линии 90-градусного моста с точкой прямоугольного излучателя, соответствующей режиму оптимального согласования выходов 90-градусного моста со входами прямоугольных излучателей.

Для обеспечения широкополосного согласования выходов 90-градусного моста со входом прямоугольного излучателя используют согласующее устройство в виде диэлектрической шайбы, размещенной коаксиально между зондом и диэлектрической платой. Согласование осуществляют подбором диэлектрической проницаемости шайбы.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой антенны; на фиг. 2 представлена топология излучателя; на фиг. 3 - возможный вариант перфорации диэлектрика под излучателем; на фиг. 4 изображен зонд с согласующим устройством в виде диэлектрической шайбы.

Плоская антенная решетка с различными поляризациями содержит диэлектрическую плату 1, расположенную над экранирующей пластиной 2 параллельно ей на расстоянии 0,05...2,0λ. В полученном воздушном зазоре располагаются две системы питания (на фиг. не показаны), имеющие каждая свой вход и выходы, количество которых равно количеству излучателей. Выходы систем питания присоединены к соответствующим входам возбуждающего устройства 3, выполненного в виде 90-градусного моста, например моста Ланже. Системы питания могут быть выполнены как на основе полосковой, так и на основе коаксиальной линии передачи.

На внешней поверхности диэлектрической платы 1 размещены прямоугольные излучатели 4, причем стороны a прямоугольных излучателей 4 выполнены с выемками или выпуклостями, радиус которых лежит в пределах а контуры выемок или выпуклостей выполнены по линейному или отличному от линейного закону, что позволяет расширить полосу рабочих частот Δf за счет создания в излучателе резонансных областей для этой полосы частот.

На диэлектрической плате 1 непосредственно под излучателем 4 выполнены отверстия 5 (перфорация), количество и форму которых выбирают из соображения удовлетворения двум условиям: наибольшая площадь отверстий при сохранении механической прочности структуры. Отверстия снижают диэлектрическую проницаемость диэлектрического заполнения излучателя, тем самым снижаются диэлектрические потери в излучателе и расширяется полоса его рабочих частот.

Возбуждение прямоугольных излучателей 4 для создания круговой поляризации осуществляют через возбуждающее устройство 3 в виде 90-градусного моста, например моста Ланже, выполненного с внутренней стороны диэлектрической платы 1, причем излучатель 4 служит для возбуждающего устройства 3 экраном.

Возбуждение прямоугольных излучателей 4 осуществляют с помощью зондов 6, выполненных в виде усеченного конуса и установленных между возбуждающим устройством 3 и прямоугольным излучателем 4. Зонды 6 проходят сквозь диэлектрическую плату 1 и соединяют выходные линии возбуждающего устройства в виде 90-градусного моста 3 с точкой прямоугольного излучателя 4, соответствующей режиму оптимального согласования выходов 90-градусного моста 3 со входами прямоугольного излучателей 4.

Для обеспечения широкополосного согласования выходов 90-градусного моста 3 со входом прямоугольного излучателя 4 используется согласующее устройство в виде диэлектрической шайбы 7, имеющей в сечении трапецеидальную форму и размещенную коаксиально между зондом 6 и диэлектрической платой 1. Согласование осуществляется подбором диэлектрической проницаемости шайбы 7.

Плоская антенная решетка с различными поляризациями работает следующим образом.

Излучаемый сигнал подается во входную цепь питания антенны, где он последовательно делится и распределяется между излучателями 4 (количество излучателей в зависимости от требуемых характеристик антенны N = 2^n. Сигнал, подводимый к каждому излучателю, делится пополам и сдвигается на 90 градусов в мосту 3 и через зонды 6 сигналы подаются на прямоугольный излучатель 4 таким образом, чтобы в нем возбуждались ортогональные токи, сдвинутые по фазе на 90 градусов. В результате этого суммарный вектор излучаемого электрического поля имеет вращающийся характер. Таким образом создаются условия для излучения сигнала круговой поляризации.

Между зондом 6 и диэлектрической платой 1 коаксиально размещено согласующее устройство в виде диэлектрической шайбы 7. Изменение диэлектрической проницаемости шайбы приводит к изменению электрической длины зонда и изменяет выходное сопротивление системы "мостовое устройство-зонд". Изменением диэлектрической проницаемости шайбы можно подобрать выходное сопротивление этой системы соответствующим входному сопротивлению излучателя в широком диапазоне длин волн.

Принимаемый сигнал противоположной поляризации возбуждает в прямоугольном излучателе ортогональные токи, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Через зонды эти сигналы передаются в 90-градусный мост, где они фазируются, складываются и снимаются с его приемного выхода. Затем сигналы от всех излучателей складываются в приемной системе питания и снимаются с выхода этой системы.

Таким образом, использование 90-градусного моста, имеющего два входа, для которых сдвиг фаз выходных сигналов имеет разный знак, позволяет использовать антенну на одновременный режим приема/передачи. Развязка между передаваемым и принимаемым сигналами определяется в основном развязывающими свойствами 90-градусного моста.

Диапазон рабочих частот описываемой антенны определяется частотными свойствами 90-градусного моста и системы излучателей.

Для расширения полосы рабочих частот излучателей предлагается использовать выемки или выпуклости на контурах излучателей радиусом причем контуры выемок или выпуклостей выполнены по линейному или отличному от линейного закону.

Для той же цели служит воздушный зазор 8 между диэлектрической платой 1 и экранирующей пластиной 2, отверстия 5 (перфорация) диэлектрической платы 1 (фиг. 3). Использование высокодобротного диэлектрика в виде воздушного зазора снижает диэлектрические потери в излучателе, а низкое значение диэлектрической проницаемости воздуха расширяет полосу рабочих частот излучателя за счет увеличения роли краевого эффекта.

Кроме того, полоса рабочих частот расширяется за счет взаимной связи между излучателями в решетке, определяемая межцентровым расстоянием между ними, которое составляет 0,5,...1,5 длины волны и за счет применения широкополосного согласования прямоугольного излучателя с выходами 90-градусного моста.

Как было показано, предложенная конструкция антенной решетки обеспечивает расширение полосы рабочих частот решетки как по излучению, так и по коэффициенту эллиптичности.

Источники информации 1. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И. Воскресенского.- М.: Радио и связь,1981,с.177-180.

2. Патент РФ N 2075259, М.кл. H 01 Q 21/24, 1997 г. - прототип.

Формула изобретения

1. Плоская антенная решетка с различными поляризациями, содержащая диэлектрическую плату, возбуждающее устройство с выходами для сигналов различных поляризаций, две системы питания для приема/передачи сигналов различных поляризаций, зонды, отличающаяся тем, что излучатели антенной решетки выполнены прямоугольной формы, причем непосредственно под прямоугольными излучателями на диэлектрической плате выполнены отверстия, а возбуждающее устройство расположено с внутренней стороны диэлектрической платы и его входы присоединены к выходам двух систем питания, между прямоугольными излучателями и возбуждающим устройством расположены зонды, которые проходят сквозь диэлектрическую плату и соединяют выходные линии возбуждающего устройства с точками прямоугольного излучателя, соответствующими режиму оптимального согласования, причем между зондами и диэлектрической платой коаксиально расположены согласующие устройства, выполненные в виде диэлектрических шайб.

2. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что стороны прямоугольного излучателя выполнены с выемками или выпуклостями, радиус которых лежит в пределах R = 1/2 a÷∞, где a - сторона прямоугольного излучателя.

3. Антенная решетка по п.2, отличающаяся тем, что контур выемки или выпуклости выполнены по линейному или отличному от линейного закону.

4. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что возбуждающее устройство выполнено в виде 90-градусного моста, например моста Ланже.

5. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что зонды выполнены в виде усеченного конуса.

6. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическая плата расположена параллельно экранирующей пластине на расстоянии 0,05-2,0λ от нее.

7. Антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическая шайба имеет в сечении трапецеидальную форму.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4