Приемопередающая антенна

Изобретение может быть использовано в антенных системах, размещенных на летательном аппарате. Техническим результатом является создание сверхширокополосной (многополосной) антенны, обладающей расширенной, до шести октав, полосой пропускания с фиксированными окнами прозрачности и уменьшенными габаритами и имеющей повышенную электрическую и механическую прочность. Сущность изобретения состоит в том, что приемопередающая антенна расположена в плоскости, перпендикулярной экрану, и содержит излучатели, выполненные в виде трех несимметричных вибраторов, формирующих воронкообразную диаграмму направленности в угломестной плоскости и ненаправленную - в азимутальной плоскости. Оговорены электрические длины излучателей и межосевые расстояния между центральным и боковыми излучателями. Кроме того, излучатели и устройство согласования, либо только устройство согласования, размещены в заполненном диэлектрическим материалом, с диэлектрической проницаемостью не более 2.0, объеме. Этот объем может иметь форму эллиптического цилиндра, эллиптического усеченного конуса. Определены другие размеры антенны. Конус может быть интерполирован многогранником, с числом вершин не менее четырех, острые кромки которого закруглены с радиусом не менее 0.01 λ_н. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может быть использовано в радиолокации, связи и других антенных системах, размещенных на летательном аппарате (ЛА).

Известна сверхширокополосная антенна с малым входным коэффициентом стоячих волн - КСВ (см. заявка FR N 2650441 МПК H 01 Q 09/44, 1988), содержащая три штыревые антенны с электрической длиной λ/4, питаемой от общего фидера, причем они отклонены на угол 18 градусов относительно вертикали с симметричным разносом в горизонтальной плоскости.

Недостатком известного технического решения является работа антенны с недостаточно широкой полосой согласования.

Известна вертикальная антенна-мачта длиной 5λ/8 (см. S.Ballantine // Рrос. JRE, 1924, December, p.833 (GB), содержащая вертикальный проводник электрической длиной 5λ/8, соединенный через катушку индуктивности с коаксиальной линией и четвертьволновым противовесом. Так как длина излучателя 5λ/8 не резонансная, ее доводят до электрической длины 3λ/4 путем введения в полотно излучателя индуктивного элемента: катушку индуктивности L или отрезок замкнутой линии с элементом длиной λ/4.

Недостатком известного технического решения является узкополосность антенны и ее большие габариты.

Известна широкополосная всенаправленная антенна (см. патент US N 4970524 НКИ 343-752, 13.11.90, United states of America, ARMY), состоящая из несимметричной вибраторной антенны, питаемая источником радиочастоты, и структура параллельных проводников, лежащих в одной плоскости и настроенных на разные частоты.

Основной недостаток известного технического решения недостаточная широкополосность антенны.

Известна антенна с несколькими рабочими частотами (см. патент GB N 2317994 МПК H 01 Q 5/00, 28.02.97, Incorporated in Canada-Quedae), содержащая два электрически проводящих элемента, отводящихся от заземленного экрана, работающие в двух рабочих диапазонах, причем между элементами антенны имеется связь, обеспечивающая зависимость фазовой скорости поверхностных волн от частоты. При изменении частоты изменяется эффективная длина антенны, так что антенна имеет резонанс на двух независимых частотах.

Недостатком этого технического решения является недостаточно широкая полоса согласования антенны.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является сверхширокополосная приемопередающая антенна (см. патент RU №2205478 МПК H 01 Q 5/01, 08.06.01), расположенная над экраном, содержащая коаксиальный вход, устройство согласования и излучатели электромагнитной энергии, которые выполнены в виде несимметричных вибраторов одинакового сечения с электрическими длинами 3λн/4, 3λв/4, 3λср/4 соответственно, где λн, λв, λср - длина волны низкой, высокой и средней частот излучения. Самый длинный и самый короткий вибраторы соединены между собой короткозамыкателем с тем же сечением, что и вибраторы, при этом полоса согласования антенны определяется расстоянием от устройства согласования до короткозамыкателя, причем вибраторы формируют воронкообразную диаграмму направленности в плоскости вибраторов, а в ортогональной плоскости - ненаправленную диаграмму направленности.

Кроме того, межосевое расстояние между вибратором электрической длиной 3λв/4 и вибраторами электрическими длинами 3λн/4, 3λср/4 выбирают равными периметру сечения одного вибратора, причем периметр сечения короткозамыкателя равен периметру сечения вибратора.

Три несимметричных вибратора расположены по прямой линии, причем центральный вибратор имеет электрическую длину 3λв/4, а боковые вибраторы соответственно электрические длины 3λв/4 и 3λв/4.

Три несимметричных вибратора расположены в углах равнобедренного треугольника, причем угол при вершине больше или равен π/3, кроме того, вибратор электрической длиной 3λв/4 расположен в вершине равнобедренного треугольника, а вибраторы электрической длиной 3λв/4 и 3λв/4 расположены в углах при основании.

Недостатком известного технического решения являются большие габариты (высота) антенны, а также пониженная механическая и электрическая прочность. Наличие сплошной широкой полосы согласования антенны в требуемых зонах частотного диапазона, а не окон прозрачности, при определенных условиях, значительно снижается помехозащищенность приемных систем, в которых она может использоваться.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание сверхширокополосной (многополосной) антенны, обладающей расширенной до шести октав полосой пропускания с фиксированными окнами прозрачности и уменьшенными габаритами и имеющей повышенную электрическую и механическую прочность.

Сущность изобретения состоит в том, что приемопередающая антенна расположена в плоскости, перпендикулярной экрану, и содержит устройство согласования и излучатели электромагнитной энергии, выполненные в виде трех несимметричных вибраторов, формирующих воронкообразную диаграмму направленности в угломестной плоскости и ненаправленную в азимутальной плоскости.

Новизна заявляемой приемопередающей антенны состоит в том, что электрические длины каждого из излучателей соответствуют 0.2-0.3λ_н, 0.18-0.25λ_н и 0.09-0.22λ_н, а межосевые расстояния между центральным и боковыми излучателями выбираются равными 0.05-0.1λ_н, где λ_н, - длина волны нижней границы частотного диапазона. Кроме того, излучатели электромагнитной энергии и устройство согласования, либо только устройство согласования, размещены в заполненном диэлектрическим материалом объеме, с диэлектрической проницаемостью не более 2.0. Заполненный диэлектрическим материалом объем, в котором размещены излучатели электромагнитной энергии, может иметь форму эллиптического цилиндра, причем минимальное расстояние между любой точкой излучателей антенны и внешней поверхностью диэлектрического объема должно быть не менее 0.02λ_н.

Кроме того, заполненный диэлектрическим материалом объем, в котором размещены излучатели электромагнитной энергии, может быть выполнен в виде эллиптического усеченного конуса. Расстояние между нижним и верхним основанием эллиптического усеченного конуса составляет не менее 0.25λ_н, при этом нижнее и верхнее основание представляют собой соответственно эллипсы с большой полуосью не менее 0.3λ_н и 0.23λ_н и малой полуосью не менее 0.06λ_н, и 0.02λ_н, а верхнее основание элиптического усеченного конуса может смещаться относительно оси элиптического усеченного конуса вдоль линии большой полуоси эллипса нижнего основания на величину, не превышающую половину разности больших полуосей эллипсов его оснований. Элиптический усеченный конус может быть интерполирован многогранником с числом вершин не менее четырех, острые кромки которого закруглены с радиусом не менее 0.01λ_н.

Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые позволяют успешно реализовать поставленную цель.

На фиг.1 изображен пример выполнения приемопередающей антенны с линейным расположением излучателей.

На фиг.2 представлен пример выполнения приемопередающей антенны с треугольным расположением излучателей.

На фиг.3, представлен пример выполнения приемопередающей антенны в диэлектрическом объеме.

На фиг.4 представлен пример выполнения согласующего устройства приемопередающей антенны в диэлектрическом объеме.

На фиг.5 показана диаграмма согласования антенны в полосе частот ΔF_н-ΔF_в в диэлектрическом объеме и без него.

На фиг.6. представлены диаграммы направленности приемопередающей антенны в азимутальной и угломестной плоскостях на частотах F_н:

а) без диэлектрического объема;

б) в диэлектрическом объеме.

На фиг.7 представлены диаграммы направленности приемопередающей антенны в азимутальной и угломестной плоскостях на частотах 1,5F_н.

а) без диэлектрического объема;

б) в диэлектрическом объеме.

На фиг.8 представлены диаграммы направленности приемопередающей антенны в азимутальной и угломестной плоскостях на частотах 2.5F_н:

а) без диэлектрического объема;

б) в диэлектрическом объеме.

На фиг.9 представлены диаграммы направленности приемопередающей антенны в азимутальной и угломестной плоскостях на частотах 3.5F_н:

а) без диэлектрического объема;

б) в диэлектрическом объеме.

Приемопередающая антенна 1 расположена над экраном 2, содержит, например, полосковый вход 3, устройство согласования 4 и излучатели электромагнитной энергии 5. Три излучателя 5₁, 5₂, 5₃ антенны выполнены в виде несимметричных вибраторов одинакового сечения с электрическими длинами 0.23λ_н, 0.18λ_н и 0.09λ_н соответственно, где λ_н - длина волны низкой частоты излучения. Межосевые расстояния между излучателем 5₂ электрической длиной 0,18λ_н и излучателями 5₁, 5₃ с электрическими длинами 0.23λ_н, 0.09λ_н, выбираются равным 0.05λ_н, причем периметр сечения излучателей составляет 0.15λ_н. Три излучателя 5 антенны 1 расположены, например, по прямой линии, причем центральный излучатель 5₂ имеет электрическую длину 0.18λ_н, а боковые излучатели 5₁ и 5₃ соответственно 0.23λ_н и 0.09λ_н. Излучатели 5₁, 5₂, 5₃ подключены, например, к полосковому входу 3 через устройство согласования 4, выполненное, например, в виде трансформатора с плавно меняющимся волновым сопротивлением.

Приемопередающая антенна работает следующим образом.

Приемопередающая антенна 1 содержит излучатели электромагнитной энергии с тремя излучающими элементами 5₁, 5₂, 5₃, которые образуют систему параллельно включенных колебательных контуров, работающих на комбинационных частотах, что обеспечивает возможность использовать антенну 1 в шести частотных диапазонах с минимальной связью между излучающими элементами. Согласующее устройство 4 обеспечивает в точке подачи питания антенны 1 согласование импедансов в рабочих диапазонах частот антенны.

Выбранное соотношение размеров излучателей электромагнитной энергии 5 и наличие согласующего устройства 4 при подаче на вход антенны СВЧ-сигнала обеспечивает возбуждение излучающих элементов 5₁, 5₂, 5₃ таким образом, чтобы сформировать в азимутальной плоскости ненаправленную диаграмму направленности с вертикальной поляризацией, а в угломестной плоскости с учетом влияния экрана - диаграмму направленности воронкообразной формы. При изменении частоты входного СВЧ сигнала пропорционально изменяется действующий размер приемопередающей антенны, при этом активным является только один вибратор, электрическая длина которого наилучшим образом соответствует частоте сигнала, работающий с учетом влияния двух пассивных.

Как видно на фиг.5, значение уровень согласования антенны с указанными размерами излучателей, независимо от способа их расположения над экраном, не превышает 1,5 в окнах прозрачности в полосе частот F_н-6F_н. Представленные на фиг.6, 7 и 8 диаграммы направленности указывают на повторяемость их формы на частотах диапазонов F_н-6F_н. При этом отклонения формы диаграмма направленности от теоретических значений не превышают 1.5 дБ.

Изобретение обеспечивает создание сверхширокополосной (многополосной) антенны, обладающей расширенной полосой пропускания до шести октав с фиксированными окнами прозрачности, уменьшенными габаритами и размещенной в диэлектрическом объеме, обладающей повышенной электрической и механической прочностью, что позволяет использовать предлагаемую антенну на различных летательных аппаратах.

1. Приемопередающая антенна, расположенная в плоскости, перпендикулярной экрану, содержащая устройство согласования и излучатели электромагнитной энергии, выполнение в виде трех несимметричных вибраторов, формирующих воронкообразную диаграмму направленности в угломестной плоскости и ненаправленную в азимутальной плоскости, отличающаяся тем, что электрические длины каждого из излучателей соответствуют 0,2-0,3 λ_н, 0,18-0,25 λ_н и 0,09-0,22 λ_н, а межосевые расстояния между центральным и боковыми излучателями выбираются равными 0,05-0,1 λ_н, где λ_н - длина волны нижней границы частотного диапазона, кроме того, излучатели электромагнитной энергии и устройство согласования размещены в заполненном диэлектрическим материалом объеме с диэлектрической проницаемостью не более 2.0

2. Приемопередающая антенна по п.1, отличающаяся тем, что заполненный диэлектрическим материалом объем, в котором размещены излучатели электромагнитной энергии, имеет форму эллиптического цилиндра, причем минимальное расстояние между любой точкой излучателей антенны и внешней поверхностью диэлектрического объема должно быть не менее 0,02 λ_н.

3. Приемопередающая антенна по п.1, отличающаяся тем, что заполненный диэлектрическим материалом объем, в котором размещены излучатели электромагнитной энергии, выполнен в виде эллиптического усеченного конуса, расстояние между нижним и верхним основанием которого составляет не менее 0,25λ_н, при этом нижнее и верхнее основание представляют собой соответственно эллипсы с большой полуосью не менее 0,3λ_н и 0,23λ_н и малой полуосью не менее 0,06λ_н и 0,02λ_н.

4. Приемопередающая антенна по п.3, отличающаяся тем, что верхнее основание эллиптического усеченного конуса может смещаться относительно оси эллиптического усеченного конуса вдоль линии большой полуоси эллипса нижнего основания на величину, не превышающую половину разности больших полуосей эллипсов его оснований.

5. Приемопередающая антенна по п.3, отличающаяся тем, что эллиптический усеченный конус может быть интерполирован многогранником с числом вершин не менее четырех, острые кромки которого закруглены с радиусом не менее 0,01 λ_н.