Полосковая щелевая антенная решетка

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиосвязи, телевидении, в частности в многоканальных многопозиционных распределительных системах (MMDS). Техническим результатом является обеспечение изотропной (всенаправленной) диаграммы направленности полосковой щелевой антенной решетки в азимутальной плоскости на азимутальной поляризации. Это достигается за счет того, что в полосковой щелевой антенной решетке, содержащей делитель мощности на симметричной полосковой линии, коллинеарные щелевые излучатели, прорезанные в одном из экранов полосковой линии, и проводящие боковые стенки, замыкающие экраны полосковой линии между собой, образуя прямоугольный волновод, так что щелевые излучатели оказываются расположенными на широкой стенке этого волновода, щелевые излучатели прорезаны также и во втором экране симметричной полосковой линии, а полосковый делитель мощности имеет выходные полосковые проводники, замкнутые проводящими перемычками на один из экранов полосковой линии без пересечения щелевых излучателей, причем расстояние от перемычек до щелевых излучателей достаточно для затухания высших типов волн в плоском волноводе, образованном экранами полосковой линии. 2 ил.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиосвязи, телевидении, в частности в многоканальных многопозиционных распределительных системах (MMDS - multipoint multicanal distribution system).

Известны полосковые щелевые излучатели и антенные решетки [Антенны и устройства СВЧ. /Под ред. проф. Д.И. Воскресенского, М.: Радио и связь, 1981, стр. 195; Handbook of Microstrip Antennas, edited by J.R.James & P.S. Hall, published by: P.Peregrims Ltd., L., UK, 1989, part 2, p.1111; Теория и техника ФАР, Р.Дж.Мейлукс, ТИИЭР, М.: Мир, т.70, 3, март 1982, стр.27; Design of collinear longitudinal slot arrays fed by boxed stripline, P.K.Park, R.S.Elliott, IEEE Trans. on AP, vol. AP-29, No.1, Jan. 1981, p.135]. Эти антенны содержат один (микрополосковая линия) или два (симметричная полосковая линия) плоских металлических экрана и полосковые проводники, образующие распределитель мощности. Экраны и полосковые проводники расположены в параллельных плоскостях и обычно разделены диэлектриком, поддерживающим эти проводники в заданном положении. Щелевые излучатели прорезаны в одном из упомянутых экранов. Полосковые проводники распределителя мощности пересекают щелевые излучатели либо проходят вблизи от них так, чтобы токи, протекающие на экране полосковой линии, пересекали щели. Далее, в зависимости от типа распределителя мощности эти полосковые проводники либо замкнуты проводящими перемычками на тот же экран полосковой линии, либо продлены за излучающую щель и образуют (обычно) четвертьволновый разомкнутый на конце шлейф либо возбуждают следующий щелевой излучатель.

Эти полосковые излучатели и антенные решетки могут быть изготовлены методами печатной технологии, что обеспечивает их надежность, высокую повторяемость характеристик и относительно низкую стоимость.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой антенне является полосковая щелевая антенная решетка [Design of collinear longitudinal slot arrays fed by boxed stripline, P.K.Park, R.S.Elliott, IEEE Trans. on AP. vol. AP-29, No.1, Jan. 1981, p.135]. Аналогично предлагаемому техническому решению эта антенна, принятая за прототип, содержит распределитель мощности на симметричной полосковой линии, коллинеарные щелевые излучатели, прорезанные в одном из экранов полосковой линии, и проводящие боковые стенки, замыкающие экраны симметричной полосковой линии между собой для локализации волноводных волн, возбуждаемых щелями.

Диаграмма направленности такой антенной решетки коллинеарных щелевых излучателей в азимутальной плоскости (перпендикулярной продольной оси щелей) является слабонаправленной и близкой по форме к кардиоиде. При этом поляризация поля является азимутальной. В некоторых случаях необходимо получить изотропную (всенаправленную) диаграмму направленности в этой плоскости при той же азимутальной поляризации. Например, такая диаграмма направленности требуется в передающих антеннах систем MMDS.

Техническое решение в соответствии с данным изобретением направлено на получение изотропной (всенаправленной) диаграммы направленности полосковой щелевой антенной решетки в азимутальной плоскости на азимутальной поляризации.

Эта цель достигается тем, что в полосковой щелевой антенной решетке, содержащей делитель мощности на симметричной полосковой линии, коллинеарные щелевые излучатели, прорезанные в одном из экранов полосковой линии, и проводящие боковые стенки, замыкающие экраны полосковой линии между собой, так, что образуется прямоугольный волновод и щелевые излучатели оказываются расположенными на широкой стенке этого волновода, во втором экране симметричной полосковой линии также прорезанны коллинеарные щелевые излучатели (например, напротив щелевых излучателей в первом экране полосковой линии), а полосковый делитель мощности имеет выходные полосковые проводники, замкнутые проводящими перемычками на один из экранов полосковой линии без пересечения щелевых излучателей, причем расстояние от перемычек до щелевых излучателей достаточно для затухания высших типов волн в плоском волноводе, образованном экранами полосковой линии.

Изобретение иллюстрируют чертежи полосковой щелевой антенной решетки (фиг. 1) и экспериментальная диаграмма направленности такой антенной решетки в азимутальной плоскости (фиг.2).

Полосковая щелевая антенная решетка состоит из проводящих экранов 1 и 2, прорезанных в них щелевых излучателей 3, расположенных между ними диэлектрических слоев 4, расположенных между ними полосковых проводников делителя мощности 5, выходные полосковые проводники которого 6 замкнуты проводящими перемычками 7 на экран 2 на расстоянии l по координате x от щелей 3. Проводящие боковые стенки 8 замыкают экраны полосковой линии 1 и 2 между собой, так, что образуется прямоугольный волновод. Размеры волновода по широкой стенке a и расстояние между экранами b выбираются из условия его запредельности для всех типов волноводных и полосковых волн, кроме ТЕМ волны в полосковой линии (не имеющей критической длины волны) и низшей волноводной волны ₁₀ (a<λ, b<λ/2, где λ - длина волны). Более того, размер волновода по широкой стенке а обычно выбирается из условия его запредельности и для волноводной волны Н₁₀ (a<λ/2) для устранения взаимной связи щелевых излучателей по волноводным типам волн. Если при этом ширина волновода недостаточна для размещения полоскового делителя мощности, экраны 1 и 2 могут выступать за пределы широкой стенки волновода (w>а), часть полосковых проводников делителя мощности может располагаться вне волновода и входить внутрь него через разрывы в боковых стенках 8.

Полосковая щелевая антенная решетка работает следующим образом. СВЧ сигнал поступает на вход полоскового делителя 5, распространяется между проводящими экранами 1 и 2 в диэлектрических слоях 4, ответвляется в выходные полосковые проводники 6 и, замыкаясь проводящими перемычками 7 на экран 2, возбуждает волноводные волны в волноводе, которые в свою очередь возбуждают щелевые излучатели. Для дальнейшего пояснения поле в прямоугольном волноводе удобно представить в виде суперпозиции волноводных волн плоского волновода [Фельд Я. Н. , Бененсон Л.С. Антенно-фидерные устройства, М.: Изд. ВВИА им проф. Жуковского, часть 2, стр.23; Марков Г.Т, Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн, М.: Радио и связь, 1983, стр.231], образованного экранами полосковой линии 1 и 2. Эти волны имеют зависимость от координаты y вида где m=0, 1,2... . Постоянная их распространения в плоскости xz где ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрических слоев 4.

Для достижения цели изобретения расстояние между экранами 1 и 2 выбирается малым (b<<λ). Это обеспечивает мнимое значение постоянной распространения χ_m при m≠0 и, как следствие, затухание высших типов волн плоского волновода на длине l. Величина затухания тем больше, чем меньше размер b и чем больше длина l. При соответствующем выборе этих размеров возбуждающее щели поле Е_у равномерно распределено по координате y в месте расположения щелей 3. В силу этого парные щели (расположенные друг напротив друга на экране 1 и 2 соответственно) излучают по отношению друг к другу равноамплитудно и синфазно (по эквивалентному магнитному току в щелях). Это обеспечивает симметрию излучения относительно плоскости хz и, в совокупности со свойствами диаграммы направленности щелей, изотропность азимутальной диаграммы направленности антенны.

Конкретные значения размеров b, l выбираются исходя из требований, предъявляемых к неравномерности азимутальной диаграммы направленности. Для примера на фиг. 2 приведена экспериментальная азимутальная диаграмма направленности полосковой щелевой антенной решетки с размерами a=38 мм, b=10 мм, l=12 мм, w=156 мм, на частоте 2,6 ГГц. Щелевые излучатели этой антенной решетки расположены коллинеарно на продольных осевых линиях экранов 1 и 2. Число парных щелевых излучателей N=48. Диэлектрическая проницаемость слоев 4 ε = 1,05. Антенна размещена в цилиндрическом укрытии из стеклопластика внутренним диаметром 160 мм при толщине стенки 4 мм. Осевая линия антенной решетки совмещена с осью цилиндрического укрытия. Как видно, азимутальная диаграмма направленности антенной решетки достаточно равномерна и симметрична относительно осей симметрии антенны.

Количество излучателей антенной решетки N; схема полоскового делителя мощности (которая может быть последовательного, параллельного или иного типа), наличие диэлектрических слоев 4 (вместо которых может быть просто воздух или вакуум), а также наличие или отсутствие осесимметричного радиопрозрачного укрытия не существенны для достижения заявленного эффекта от изобретения.

Дополнительный эффект от предлагаемого технического решения заключается в улучшении согласования как внутри, так и на входе антенны. Это происходит, во-первых, за счет трансформации входной проводимости щелевых излучателей (обычно имеющей малое значение) в сторону выходных полосковых проводников делителя мощности 6 с 4-х кратным увеличением. Как следствие, активная составляющая адмитанса нагрузки полосковых линий 6 приближается к волновой проводимости этих полосковых линий. Во-вторых, предлагаемое техническое решение предоставляет возможность регулировки входной проводимости излучателей за счет изменения положения перемычек 7 относительно щелей и стенки волновода. Это и приводит к улучшению согласования антенной решетки, что в свою очередь обеспечивает уменьшение потерь мощности в антенне и улучшение качества диаграммы направленности в меридианальных плоскостях (проходящих через продольную ось антенной решетки).

Формула изобретения

Полосковая щелевая антенная решетка, содержащая делитель мощности на симметричной полосковой линии, коллинеарные щелевые излучатели, прорезанные в одном из экранов полосковой линии и проводящие боковые стенки, замыкающие экраны полосковой линии между собой, образуя прямоугольный волновод, так, что щелевые излучатели оказываются расположенными на широкой стенке этого волновода, отличающаяся тем, что щелевые излучатели прорезаны также и во втором экране симметричной полосковой линии, а полосковый делитель мощности имеет выходные полосковые проводники, замкнутые проводящими перемычками на один из экранов полосковой линии без пересечения щелевых излучателей, причем расстояние от перемычек до щелевых излучателей достаточно для затухания высших типов волн в плоском волноводе, образованном экранами полосковой линии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2