Полосковая щелевая антенна
Владельцы патента RU 2419928:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют" (RU)
Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, а именно к антеннам с частотным сканированием, и может быть использовано в различных радиотехнических системах связи, радиолокации, радионавигации. Полосковая щелевая антенна содержит экранирующий корпус со щелью, изолятор в виде диэлектрического стержня с наружной винтовой канавкой, размещенный внутри экранирующего корпуса, проводник в виде цилиндрической спирали, размещенный на изоляторе. Замедляющая структура спиральной формы весьма выгодна для антенн с большим сектором сканирования (γ=±90°) при сравнительно небольшом диапазоне рабочих частот (менее 2%). Кроме того, несимметричная полосковая линия передачи со спиральным проводником обеспечивает наилучшее согласование, поскольку является однородной. В конструкции полосковой щелевой антенны количество излучающих элементов определяется шагом спирали и может составлять значительное количество. Техническим результатом является увеличение сектора сканирования, улучшение амплитудно-фазовых характеристик, устранение случайных резонансов, улучшение параметров диаграммы направленности антенны и повышение КПД. 1 ил.
Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, а именно к антеннам с частотным сканированием, и может быть использовано в различных радиотехнических системах, в том числе радиотехнических системах связи, радиолокации, радионавигации и др., базирующихся как на неподвижных, так и на подвижных объектах.
Известна полосковая щелевая антенна (а.с. СССР №913892), содержащая несимметричную полосковую линию с двумя параллельными проводниками и периодическую систему незамкнутых щелевых излучателей с изменяющейся вдоль антенны шириной полосковых проводников и щелей. Антенна характеризуется простотой конструкции и обеспечивает требуемую диаграмму направленности антенны при достаточно высоком КПД.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является коротковолновая щелевая антенна (а.с. СССР №862280), содержащая экранирующий корпус в виде резонатора, в одной из стенок которого, являющейся металлическим экраном, выполнена щель, возбудитель (проводник) в виде спирали, изоляторы, узел коммутации витков спирали. Спираль установлена на изоляторах внутри экранирующего корпуса параллельно продольной оси щели. Расстояние между внутренней поверхностью металлического экрана и наружной поверхностью проводника составляет 2…3 диаметра проводника. Коммутируемые витки спирали, многократно пересекаясь со щелью, возбуждают его синфазно.
Существенным недостатком конструкции является наличие коммутирующего устройства и несогласование проводника в резонаторе, что ограничивает ее использование при решении задач, где требуется высокая направленность антенны, возможность сканирования.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание компактной полосковой щелевой антенны с улучшенными амплитудно-фазовыми характеристиками и параметрами диаграммы направленности, большим сектором сканирования, повышенным КПД.
Техническим результатом при реализации изобретения является увеличение сектора сканирования, улучшение амплитудно-фазовых характеристик, устранение случайных резонансов и, как следствие, улучшение параметров диаграммы направленности антенны и повышение КПД.
Влияние на достижение указанных технических результатов оказывают следующие существенные признаки.
Полосковая щелевая антенна содержит экранирующий корпус со щелью, изолятор, проводник в виде цилиндрической спирали, два коаксиальных разъема, поглощающую нагрузку.
Экранирующий корпус выполнен в виде трубы круглого сечения со щелью, параллельной продольной оси трубы, причем щель выполнена переменной ширины для каждого излучающего элемента. Изолятор выполнен в виде диэлектрического стержня, имеющего наружную винтовую канавку, и размещен внутри экранирующего корпуса вдоль продольной оси трубы. Проводник выполнен в виде цилиндрической спирали и размещен на изоляторе в винтовой канавке для обеспечения постоянного зазора между проводником и внутренней поверхностью экранирующего корпуса. Антенна содержит два коаксиальных разъема, размещенных на экранирующем корпусе, причем первый конец проводника соединен с внутренним проводником первого коаксиального разъема, являющимся входом антенны, второй конец проводника соединен с внутренним проводником второго коаксиального разъема, к которому подключена поглощающая нагрузка.
Отличительными признаками в предлагаемом изобретении является то, что экранирующий корпус выполнен в виде трубы круглого сечения со щелью, параллельной продольной оси трубы, причем щель выполнена переменной ширины для каждого излучающего элемента. Изолятор выполнен в виде диэлектрического стержня, имеющего наружную винтовую канавку, и размещен внутри экранирующего корпуса вдоль продольной оси трубы. Проводник выполнен в виде цилиндрической спирали и размещен на изоляторе в винтовой канавке для обеспечения постоянного зазора между проводником и внутренней поверхностью экранирующего корпуса. Антенна содержит два коаксиальных разъема, размещенных на экранирующем корпусе, причем первый конец проводника соединен с внутренним проводником первого коаксиального разъема, являющимся входом антенны, второй конец проводника соединен с внутренним проводником второго коаксиального разъема, к которому подключена поглощающая нагрузка.
На чертеже представлена конструкция полосковой щелевой антенны.
Полосковая щелевая антенна содержит экранирующий корпус 1 со щелью 2, две крышки 3, изолятор 4, проводник 5, коаксиальные разъемы 6 и 7, поглощающую нагрузку 8.
Экранирующий корпус 1 выполнен в виде трубы круглого сечения со щелью 2, параллельной продольной оси трубы, причем щель выполнена переменной ширины для каждого излучающего элемента. Торцы экранирующего корпуса 1 закрыты крышками 3. Изолятор 4 выполнен в виде диэлектрического стержня, имеющего наружную винтовую канавку, и размещен внутри экранирующего корпуса 1 вдоль продольной оси трубы. Проводник 5 выполнен в виде цилиндрической спирали и установлен на изоляторе 4 в винтовой канавке. Экранирующий корпус 1 и проводник 5 образуют несимметричную полосковую линию. На наружной поверхности экранирующего корпуса 1 в местах расположения концов проводника 5 установлены коаксиальные разъемы 6 и 7. Первый конец проводника 5 соединен с внутренним проводником первого коаксиального разъема 6 и является входом антенны, второй конец проводника 5 соединен с внутренним проводником второго коаксиального разъема 7, к которому подключена поглощающая нагрузка 8.
Волновое сопротивление полосковой линии определяется диаметром d проводника 5 и зазором h между проводником 5 и внутренней поверхностью экранирующего корпуса 1.
В примере исполнения для обеспечения стандартного волнового сопротивления 50 ОМ при d=4 мм зазор h=5 мм. Для того чтобы возбуждение щели 2 в местах его пересечения с витками проводника 5 было синфазным, длина одного витка ℓ спирали должна быть равной длине волны λп в полосковой линии или быть кратной целому числу длин волн λп. Кроме того, выбор шага витка k должен учитывать наличие только одного максимума в диаграмме направленности антенны. Это требование выполняется, если шаг k спирали меньше самой короткой длины волны рабочего диапазона длин волн (k≤0,8λo min), где λo - длина волны в воздухе. При k=λo диаграмме направленности антенны формируется второй максимум, направленный вдоль антенны.
Длина одного витка ℓ проводника 5 определяется из соотношения:
где Dcp - средний диаметр спирали проводника 5.
Для обеспечения одновременной работы в нескольких диапазонах длин волн, длина одного витка ℓ проводника 5 определяется из соотношения:
где λП1 и λП2 - средние значения длин волн в полосковой линии;
m и n - целые числа.
Принцип действия антенны с частотным сканированием заключается в том, что с изменением частоты меняется электрическая длина линии передачи между излучающими элементами, а это приводит к изменению фазовых соотношений излучаемых ими сигналов, в результате чего меняется направленность максимума антенны. Антенна частотного сканирования, работающая в заданном диапазоне частот (от fn до fb), должна обеспечить смещение углового положения главного луча в заданном секторе углов, например от 0° до ±90°.
Угловое положение максимума диаграммы направленности сканирующей антенны определяется выражением:
где γ - угол отклонения максимума диаграммы направленности сканирующей антенны, отсчитываемый от нулевого положения, совпадающего с нормалью к излучающей поверхности антенны;
λO - длина волны в воздухе;
λП - длина волны в линии передачи;
ℓ - геометрическая длина одного витка проводника;
n - целое число длин волн в одном витке;
k - расстояние между излучателями.
Формула (3) относится не только к полосковой антенне со спиральным проводником, но и к другим типам антенн, если под λП понимать длину волны в конкретной линии передачи, в том числе и в волноводе.
Применение замедляющей структуры спиральной формы, в том числе и спирального проводника в несимметричной полосковой линии передачи, оказывается весьма выгодным, если требуется антенна с большим сектором сканирования (γ=±90°) при сравнительно небольшом диапазоне рабочих частот (менее 2%). Кроме того, несимметричная полосковая линия передачи со спиральным проводником обеспечивает наилучшее согласование, поскольку является однородной. Другие достоинства полосковой щелевой антенны со спиральным проводником заключается в том, что это наиболее компактная и надежная конструкция.
Основные требования к параметрам диаграммы направленности антенны с частотным сканированием следующие:
- ширина главного луча менее 1 градуса;
- уровень боковых лепестков не более минус 30 дБ;
- коэффициент усиления более 30 дБ.
Антенны с такими параметрами должны иметь большое количество излучающих элементов (более 100), симметричное куполообразное распределение поля вдоль антенны с периодом в 30…40 дБ и нелинейность фазовой характеристики вдоль антенны не более ±5°.
В предлагаемой конструкции полосковой щелевой антенны количество излучающих элементов определяется шагом спирали и может составлять значительное количество.
Расчеты электродинамической модели полосково-щелевого излучателя показывают, что динамический диапазон поперечного излучения щели 2 по отношению к проводнику 5 составляет не менее 30 дБ при изменении одного переменного параметра - ширины s щели 2. При использовании в качестве переменного параметра еще и длины щели 2 динамический диапазон расширяется до 40 дБ. Щель 2 для каждого излучающего элемента выполнена переменной ширины.
Таким образом, полосковая щелевая антенна обеспечивает увеличение сектора сканирования, улучшение амплитудно-фазовых характеристик, устранение случайных резонансов и, как следствие, улучшение параметров диаграммы направленности антенны и повышение КПД.
Полосковая щелевая антенна, содержащая экранирующий корпус со щелью, проводник в виде спирали, установленный внутри экранирующего корпуса, и изолятор, отличающаяся тем, что экранирующий корпус выполнен в виде трубы круглого сечения с щелью, параллельной продольной оси трубы, причем щель выполнена переменной ширины для каждого излучающего элемента, изолятор выполнен в виде диэлектрического стержня, имеющего наружную винтовую канавку, и размещен внутри экранирующего корпуса вдоль продольной оси трубы, проводник выполнен в виде цилиндрической спирали и размещен на изоляторе в винтовой канавке для обеспечения постоянного зазора между проводником и внутренней поверхностью экранирующего корпуса, при этом антенна содержит два коаксиальных разъема, размещенных на экранирующем корпусе, причем первый конец проводника соединен с внутренним проводником первого коаксиального разъема, являющимся входом антенны, второй конец проводника соединен с внутренним проводником второго коаксиального разъема, к которому подключена поглощающая нагрузка.
