плоская двухвходовая складывающаяся антенна

Формула изобретения

Плоская двухвходовая складывающаяся антенна, содержащая чередующиеся параллельные прямоугольные излучающие и П-образные излучающие волноводы соответственно с поперечными и продольными излучающими щелями, отличающаяся тем, что антенна делится на две антенные панели, содержащие равное число прямоугольных излучающих волноводов и П-образных излучающих волноводов, узкие стенки прямоугольных излучающих волноводов и стенки П-образных излучающих волноводов, расположенных над разделительной перегородкой, образуют плоскую излучающую поверхность антенны, поперечные излучающие щели имеют гантельную форму, продольные излучающие щели расположены со смещением от разделительной перегородки попеременно к двум боковым стенкам П-образного излучающего волновода, с двух сторон от каждой поперечной излучающей щели в прямоугольный излучающий волновод вводится пара несимметричных емкостных диафрагм с различными для различных поперечных излучающих щелей шириной, толщиной и смещением от центра этой щели, размещаемых на противоположных широких стенках прямоугольного излучающего волновода, в плоскостях несимметричных емкостных диафрагм в прямоугольный излучающий волновод вводятся несимметричные индуктивные диафрагмы, располагаемые

на узкой стенке прямоугольного излучающего волновода, не содержащей поперечных излучающих щелей, несимметричные емкостные диафрагмы между двумя соседними поперечными излучающими щелями располагаются на одной и той же широкой стенке прямоугольного излучающего волновода, в плоскости сечения П-образного излучающего волновода, совпадающей с центром продольной излучающей щели, вводится несимметричная емкостная диафрагма с изменяемыми для различных продольных излучающих щелей шириной и толщиной, располагаемая на одной из боковых поверхностей разделительной перегородки П-образного излучающего волновода, которая находится под продольной излучающей щелью, в плоскости несимметричной емкостной диафрагмы на дне паза, образованного боковой стенкой П-образного излучающего волновода и боковой поверхностью разделительной перегородки П-образного излучающего волновода, на которой находится несимметричная емкостная диафрагма, вводится несимметричная индуктивная диафрагма с изменяемыми для различных продольных излучающих щелей шириной и толщиной, на верхней кромке разделительной перегородки П-образного излучающего волновода выполнены поперечные пазы, глубина и смещение которых от центра продольных излучающих щелей выбираются различными для различных продольных излучающих щелей П-образного излучающего волновода, каждый прямоугольный излучающий волновод замкнут на концах и возбуждается в центре через гантельную продольную возбуждающую щель, которая располагается в узкой стенке прямоугольного излучающего волновода, не содержащей поперечных излучающих щелей, каждый П-образный излучающий волновод замкнут на концах и возбуждается в центре через гантельную поперечную возбуждающую щель, которая располагается в узкой стенке П-образного излучающего волновода, не содержащей продольных излучающих щелей, в каждый прямоугольный

возбуждающий волновод с гантельной поперечной возбуждающей щелью с двух сторон от этой щели вводятся две пары несимметричных емкостных диафрагм, смещенных относительно друг друга по оси этого волновода и располагаемых попарно на противоположных широких стенках прямоугольного возбуждающего волновода, в разделительной перегородке П-образного излучающего волновода над гантельной поперечной возбуждающей щелью выполняется по всей высоте разделительной перегородки паз, ширина которого ступенями увеличивается от основания к верхней кромке разделительной перегородки, на узких стенках прямоугольного излучающего волновода и прямоугольного возбуждающего волновода, не содержащих гантельную продольную возбуждающую щель, в плоскости, проходящей через центр гантельной продольной возбуждающей щели, вводятся несимметричные индуктивные диафрагмы, все возбуждающие прямоугольные волноводы замкнуты с одного конца в некотором сечении, которое смещено от центра гантельных поперечных и продольных возбуждающих щелей по оси этих волноводов в одну сторону для возбуждающих прямоугольных волноводов с гантельной поперечной возбуждающей щелью и в другую сторону для возбуждающих прямоугольных волноводов с гантельной продольной возбуждающей щелью, все незамкнутые выходы возбуждающих прямоугольных волноводов с гантельными поперечными возбуждающими щелями и все незамкнутые выходы возбуждающих прямоугольных волноводов с гантельными продольными возбуждающими щелями объединяются Е-сумматорами, волноводные выходы которых смещены на расстояние, равное расстоянию между осями прямоугольного и П-образного излучающих волноводов, волноводные выходы Е-сумматоров двух антенных панелей объединяются Е-тройниками, расположенными на одной из антенных панелей, выходные волноводы которых являются входами антенны, и соединительными волноводами равной длины, один из которых содержит плоский волноводный контактный фланец, плоскость которого совпадает с плоскостью стыка антенных панелей, на пересечении плоскости стыка антенных панелей и плоской излучающей поверхности антенны размещается ось, вокруг которой антенные панели вращаются относительно друг друга, обеспечивая складывание и развертывание антенны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в приемо-передающих системах радиосвязи различного назначения, в том числе ступниковой связи.

Для приемопередающих систем связи (VSAT) плоские антенны (ПА) должны иметь два входа и принимать сигналы диапазона f₁ по одной поляризации, линейной или круговой, и излучать сигналы диапазона f₂ по другой поляризации, ортогональной к первой. Освоены системы связи с парами частотных диапазонов (F₁/f₂) 4/6 ГГц (C-диапазон) и 12/14 (Ku-диапазон), причем высокочастотный диапазон для наземных антенн является передающим.

Для канала передачи диаграмма направленности ПА должна характеризоваться быстрым спадом уровня боковых лепестков с ростом угла , отсчитываемого по нормали. Для ПА международными стандартами (например, ГСС 25209а) устанавливается требование, чтобы усиление антенны G() не превышало по крайней мере для 90% боковых лепестков величины 52 - 10lg D/ - 25lg в широком интервале углов (обычно 3^o < < 48^o), где D - размер ПА, - рабочая длина волны.

В зеркальных антеннах (ЗА) с круглыми параболическими зеркалами требования по боковым лепесткам выполняются при D/ > 30. Для Ku-диапазлна это соответствует D>60 мм. В ЗА с D/ < 30 эти требования выполнить обычно не удается из-за влияния облучателя и отсутствия в параболических антеннах механизма для регулирования амплитудного распределения полей по раскрыву параболического зеркала.

В ПА в отличие от ЗА, снижение уровня боковых лепестков при любых D/ может достигаться введением спадающего к краям раскрыва антенны амплитудного распределения полей. Требуемая для систем спутниковой связи полоса рабочих частот при приеме и передаче f 500 МГц реализуется при любых D/ в ПА с параллельной запиткой излучателей и для значений D/ < 10 - 15 для ПА с последовательной запиткой излучателей.

Известны многослойные двухвходовые ПА с параллельной запиткой излучателей (антенны BAS-50 производства Германии, сходное решение: EP 0345454, H 01 Q 21/00), предназначенные для приема сигналов телевидения произвольной поляризации. В ПА имеется 6-7 металлических печатных слоев, разделенных слоями диэлектрика. Два слоя содержат бинарные полосковые делители и полосковые излучатели. Слои развернуты на 90^o и излучатели с ортогональной поляризацией оказываются в области отверстий в других металлических слоях. Система формирует в ПА излучающие каналы с ортогональными поляризациями полей. К недостаткам печатных ПА относятся значительные потери в полосковых линиях, что снижает усиление G и параметр G/T антенны, где Т - шумовая температура. ПА BAS-50 (площадь излучающего полотна 500 х 500 мм²) имеет значение G/T = 11 дБ/К, что существенно ниже значений G/T 12 - 14 дБ/К, достигнутых для одновходовых ПА той же площади. Многослойные ПА имеют существенный вес (6.5 кг для антенны BAS-50) и большую стоимость.

Лучшие значения параметра G/T и меньший вес имеют двухвходовые ПА с последовательной запиткой излучателей на основе плоского многомодового волновода, заполненного диэлектриком с = 14 - 25, с двумя системами ортогональных излучающих щелей на верхней металлической плате многомодового волновода, запитываемых последовательно двумя ортогональными плоскими волнами. Волны возбуждаются рупорно-параболическими возбудителями типа "пилбокс". Известен вариант подобной ПА с двумя возбудителями "пилбокс" и идентичными поперечными резонансными щелями (заявка WО 91/17586, H 01 Q 13/20, 13/22). Подобная ПА обладает недостаточной широкополосностью (f< 500 МГц при D > 400 - 500 мм) и не имеет конструктивных инструментов для введения спадающего амплитудного распределения и уменьшения КСВ из-за синфазного сложения отражений от поперечных резонансных щелей (эффект "нормали"). Известен вариант ПА с четырьмя возбудителями "пилбокс" и парными нерезонансными щелями, что позволяет вдвое увеличить широкополосность и ослабить эффект "нормали" (патент RU 2099832 C1, H 01 Q 13/20). В ПА с D/ > 15 при нарушениях геометрии наблюдается снижение усиления антенны G из-за возникновения неустойчивости амплитудно-фазового распределения полей. Известен вариант построения двухвходовой ПА (заявка WO 95/ 15592, H 01 Q 21/00), в которой эффект неустойчивости устраняется на основе компоновки раскрыва ПА из параллельных волноводов двух типов, прямоугольного и П-образного сечений, содержащих соответственно поперечные и продольные резонансные излучающие щели. Возбуждение каждой поперечной щели, расположенной на узкой стенке прямоугольного волновода и частично на примыкающих широких стенках прямоугольного волновода, осуществляется двумя тонкими проволоками, имеющими различный наклон по обе стороны от щели, что создает поперечную составляющую магнитного поля вдоль щели. Чередующееся изменение ориентации наклона пар проволок в соседних щелях позволяет возбуждать синфазно все поперечные щели линейки ПА при расстоянии между соседними поперечными щелями, примерно равном половине длины волны в прямоугольном волноводе.

Синфазное возбуждение продольных щелей в П-образном волноводе достигается поперечным смещением щелей по обе стороны от нейтрали П-волновода при расстоянии между соседними продольными щелями, равном половине длины в П-образном волноводе. Указанную выше заявку можно рассматривать как прототип предлагаемого технического решения. В прототипе, однако, не решаются важнейшие задачи, позволяющие использовать его для конструирования ПА спутниковой связи. В прототипе нет инструментов: для одностороннего согласования щелей, для реализации спадающего амплитудного распределения в режиме бегущей волны, для расширения полосы рабочих частот, для построения складывающихся (кейсовых) ПА, для реализации ПА в Ku- и в более коротковолновых диапазонах.

На фиг. 1 показан предлагаемый вариант построения складывающейся двухвходовой ПА, в которой устранены недостатки прототипа. ПА с размерами L x L x H состоит из двух антенных панелей с размерами L x L/2 x H, сочленяемых в плоскости S (см. фиг. 1a, b). Панели могут вращаться вокруг оси 7, лежащей в плоскости S. В промежуточном состоянии ПА показана на фиг. 1c, в сложенном состоянии - на фиг. 1d. Каждая панель ПА состоит из слоя излучающих волноводов (ИВ) 1 и слоя возбуждающих волноводов (ВВ) 2. Слой 2 (см. фиг. 1a) содержит фланец 3 входа канала ₂, фланец 4 входа канала ₁, соединительные волноводы 11 и 12 (канала ₂ ), 13 и 14 (канала ₁ ), фланцы 5, 6 сочленения волноводов, E- сумматоры 8, 9 ВВ каналов ₁ и ₂ , участок перекрытия ВВ 10. Длины волноводов 11, 12 и 13, 14 до E-тройников 15 и 16 выбраны равными. На фиг. 2 показано устройство слоя ИВ 1. Для канала ₂ используются прямоугольные ИВ сечением a₂b₂ с ориентацией электрического поля E₂ вдоль оси X. Для канала ₁ используются П-образные ИВ сечением a₁h₂, содержащие металлическую перегородку 17 высотой h₁. Электрическое поле E₁ в П-образном ИВ ориентировано противофазно относительно перегородки 17, что обеспечивает синфазную запитку продольных излучающих щелей (ИЩ) 18, смещаемых относительно оси П-образного ИВ через интервал d₁, равный половине длины волны в этом волноводе. На верхней стенке прямоугольного ИВ размещены поперечные ИЩ 19 гантельной формы. Верхние металлические стенки прямоугольного и П-образного ИВ образуют плоскую излучающую поверхность ПА 20 (см. фиг. 2 и 3). Расстояние d между осями меньше минимальной длины волны ₂, Электрические поля E₂ и E₁ соответственно в поперечных 19 и продольных 18 ИЩ ортогональны, что обеспечивают слабую кроссполяризацию по каналам ₁ и ₂.

Слой ВВ 2 компонуется из прямоугольных волноводов сечением a₃b₂ (см. фиг. 3), параллельных ИВ и расположенных под ними. На фиг. 8 показан участок перекрытия ВВ 10, в центре которого расположены продольные гантельные щели связи (ЩС) 22 канала ₁ и 21 канала ₂, возбуждающие в центральном сечении ПА соответственно П-образные и прямоугольные ИВ. Все возбуждающие прямоугольные волноводы 2 замкнуты с одного конца в сечении, которое смещено от центра гантельных поперечных и продольных возбуждающих щелей по оси этих волноводов: в одну сторону для возбуждающих волноводов с поперечной щелью 21 и в другую сторону для волноводов с продольной щелью 22, все незамкнутые выходы объединены E- сумматорами 8, 9, выходы которых смещены на расстояние, равное расстоянию между осями прямоугольного и П-образного излучающих волноводов. На фиг. 4 представлена схема каскада линейки ПА с последовательным включением резонансных щелей для случая работы в режиме бегущей волны. В схеме фиг. 4 использованы обозначения: W₀, - волновое сопротивление и электрическая длина линии передачи между ИЩ; r_i - активное сопротивление i-й ИЩ; N_i - коэффициент трансформации идеального трансформатора, обеспечивающий односторонне согласование ИЩ; U_i, I_i, U"_i = U_i, N_i, I"_i/N_i - напряжения и токи на входе и выходе идеального трансформатора; P_i, P_i+1 - мощность, подводимая к входу i-го и (i+1)-го каскадов линейки.

Переключение выходных концов обмотки идеального трансформатора позволяет обеспечивать синфазность излучаемого электрического поля во всех ИЩ линейки для значения угла = 180^o. Коэффициент трансформации N_i выбирается из условия согласования каскада по входу:

N²_i = 1+r_i/W₀. (1)

Сопротивление r_i определяется из соотношений



_i = 1-P_i+1/P_i = Q_i/P_i, (2)

где _i - коэффициент, определяющий долю мощности Q_i, выделяемую на сопротивлении r_i, отнесенную к подводимой к каскаду мощности P_i. Приближенно



где _i - напряженность электрического поля на i-й щели, A - константа для идентичных щелей в линейке.

При заданном распределении _i по щелям и соответственно при известном распределении по щелям излучаемой мощности Q распределение коэффициентов _i по n каскадам линейки определяется из рекурентного соотношения

_i = Q_i/^p=n_p=iQ_p; _n = 1. (4)

В (4) предполагается, что оконечная щель линейки полностью излучает подводимую к ней мощность P_n. На фиг. 5 показана зависимость параметра _i от i для половины линейки ПА с числом щелей n=21 и распределением напряженности электрического поля _i/ вида



В (5) предполагается, что отсчет i ведется от центра линейки. Значения _i на фиг. 6 получены для двух случаев возбуждения линейки: из центра (график П₁) и из концов линейки (график П₂). Компоновка линейки из двух частей позволяет примерно вдвое увеличить широкополосность ПА. При запитке из центра значения коэффициента _i изменяются значительно меньше, чем для случая запитки линейки с концов ( _i=0.02 - 1.0). Фиг. 6 иллюстрирует диаграмму направленности линейки ПА, запитываемой из центра для трех длин линейки 400, 600, 800 мм и значений параметров a₂ = 16.0 мм, d = 10.0 мм, d₂ = 14.5 мм, f_2max =145 ГГц и огибающей _i в соответствии с (5). Огибающая допустимого уровня боковых лепестков диаграммы направленности F ( ,L)=-G+52-10lg L/ - 25lg определялась для значений G=37 дБ, L=400, 600, 800 мм, = 21 мм. Из фиг. 6 следует, что диаграмма направленности ПА не заходит за кривую F ( , L) при L=400 - 800 мм. Дальние боковые лепестки существенно ниже кривой F( , L) и требования к спаду боковых лепестков выполняются. На фиг. 7 показана зависимость от частоты коэффициента использования поверхности ПА с линейками вида фиг. 2 с центральной запиткой (см. фиг.5) при длине L= 600 мм, ₂ = 21 мм для случаев распределения интенсивности электрического поля по щелям _i = const и c _i в соответствии с (5). Величина определяется из соотношения

= |ⁿ_i=1i|²/nⁿ_i=1|_i|² (6)

Введение косинусоидального распределения _i приводит к снижению до значения 0.93 для средней частоты и до значения = 0.64 для крайних частот f₂ = 14.25 0.25 ГГц. При равномерном возбуждении щелей в режиме бегущей волны ( _i = const) снижение к краям диапазона оказывается аналогичным. Таким образом, в рассмотренном варианте ПА с центральной запиткой реализуется практически одинаковое снижение к краям полосы частот канала ₂ как при равномерном, так и при косинусоидальной распределении _i в соответствии с соотношением (5). Для линеек канала ₁ вводить спадающее распределение _i обычно не требуется.

Конструктивная реализация центрального возбуждения линеек ПА каналов ₁ и ₂ проиллюстрирована на фиг. 8. Стрелками с индексами ₁ и ₂ показаны возбуждающие волноводы (ВВ), сопрягаемые с E-сумматорами 8 и 9 (см. фиг. 1) и формирующие участок 10, где в плоскости симметрии ПА располагаются поперечные гантельные запитывающие щели (ЗЩ) 22, обеспечивающие возбуждение прямоугольных ИВ канала ₁, и продольные гантельные ЗЩ 21, обеспечивающие возбуждение П-образных ИВ канала ₂. ПА из ИВ 1 и ВВ 2 (см. фиг. 1) компонуется из трех плат, стыкуемых друг с другом в плоскостях S₁ и S₂ (см. фиг. 3), которые совпадают с нейтралями прямоугольных волноводов шириной a₂ и a₃.

На фиг. 9 показана конструкция половины линейки ИВ канала ₂ с n поперечными ИЩ. Все поперечные ИЩ 19 имеют гантельную форму с одинаковыми размерами, кроме оконечной n-й щели, размеры которой несколько изменены (см. фиг. 9а). Индексом ₂ отмечено направление возбуждающей волны, подводимой к линейке от продольной гантельной ЗЩ 21 (см. фиг.8). На фиг. 9b показано расположение емкостных диаграмм 26 и 27 около каждой поперечной ИЩ в прямоугольном ИВ шириной b₂. На фиг. 10с показаны индуктивные диафрагмы 28 и 29, располагаемые под ИЩ в прямоугольном ИВ шириной a₂. Фиг. 10а иллюстрирует расположение пар емкостных 26, 27 и индуктивных 28, 29 диафрагм около поперечных гантельных ИЩ 19. Емкостные диафрагмы 26, 27 высотой A₁ и A₂ располагаются на противоположных широких стенках прямоугольного ИВ шириной a₂ и высотой b₂. Индуктивные диаграммы 28, 29 высотой h₁ и h₂ располагаются на нижней стенке b₂ прямоугольного ИВ в плоскости емкостных диафрагм 26, 27. Размеры A₁, A₂ емкостных и h₁, h₂ индуктивных диафрагм для всех поперечных ИЩ выбираются различными с обеспечением распределения _i в соответствии с (5) и с обеспечением одностороннего согласования каждой щели по входу в соответствии с (1). Зеркальное смещение емкостных диафрагм в ИВ приводит к попеременному повороту вектора магнитного поля волны H₁₀ относительно оси Z (см. фиг. 2) у соседних ИЩ с обеспечением синфазного возбуждения всех поперечных ИЩ (поле E"₂ на фиг. 2). На фиг. 10b показан узел возбуждения в центре линейки с поперечными гантельными ИЩ через продольную гантельную щель 21, расположенную в стенке 30 между прямоугольными ИВ 25 и прямоугольными ВВ 23 (см. фиг. 3). Для согласования устройства фиг. 10b со стороны ВВ (стрелка ₂ на фиг. 10b) в плоскости расположения ЗЩ 21 вводятся индуктивные диафрагмы 31 и 32. ВВ за гантельной ЗЩ 21 имеет замыкающую стенку 33. Все углы в стыках диафрагм со стенками волноводов закруглены (радиус r=2 мм на фиг. 10) с учетом возможности изготовления ПА на фрезерных станках с программным управлением. На фиг. 11a, b показаны конструкция линейки с продольными ИЩ 18 на основе П-образного ИВ и узел возбуждения П-образного ИВ через поперечную гантельную щель 22, связывающую прямоугольный ВВ a₃ b₂ (см. фиг.3) через стенку 24 с П-образным ИВ канала ₁ с размерами a₁, h₁ и h₂ (см. фиг. 2). Стрелкой с индексом ₁ на фиг. 11а показано направление возбуждающей волны, подводимой к линейке. Около каждой продольной ИЩ 18 вводятся элементы согласования: несимметричная емкостная диаграмма 34, размещаемая на боковой поверхности металлической перегородки непосредственно под продольной ИЩ 18, несимметричная индуктивная диафрагма 35 в плоскости несимметричной емкостной диафрагмы 34 на дне П-образного ИВ, поперечный паз 36, размещаемый на верхней кромке разделительной перегородки на некотором расстоянии от продольной ИЩ 18. Размеры диафрагм 34, 35 и паза 36 выбираются различными для различных продольных ИЩ так, чтобы обеспечивалось требуемое распределение _i =const и обеспечивалось в соответствии с (1) и (4) одностороннее согласование каждой ИЩ. Для согласования узла фиг. 11а в прямоугольный ВВ с поперечной гантельной ЗЩ 22 с двух сторон от этой щели вводятся две пары несимметричных емкостных диафрагм 37 и 38, располагаемых попарно на противоположных широких стенках ВВ. За гантельной диафрагмой 22 в ВВ вводится замыкающая стенка 39. В разделительную перегородку П-образного ИВ над поперечиной гантельной ЗЩ 22 вводится по всей высоте разделительной перегородки 40 паз 41, ширина которого ступенями увеличивается от основания ВВ к верхней кромке разделительной перегородки. На фиг. 12 и 13 показаны расчетные диаграммы направленности в плоскости Y для крайних частот диапазона 13.9 и 14.6 ГГц Па с размерами 600 х 600 мм², образованной из 30 линеек вида фиг. 10а при расстоянии между соседними линейками 2d=20мм (см. фиг.2). Влияние волноводов канала _1/ на диаграммы направленности канала ₂ оказалось незначительным. Огибающие F (, L)= -G+52-10lgL/ - 25lg при g=34 дБ не пересекают боковые лепестки диаграммы направленности, за исключением отдельных лепестков для частоты f=13.9 ГГц (см. фиг. 12a, b). Диаграмма направленности ПА в плоскости X (фиг. 12с) имеет первый боковой лепесток на уровне 13 дБ. Кроссполяризационная составляющая (поле E_x на фиг. 12d) имеет боковые лепестки на уровне - 30 дБ для углов = 43^o и на уровне - 48 дБ для углов < 15^o. На фиг. 14 показано распределение |_i| и arg _i по поперечным ИЩ линеек для крайней 14.6 ГГц (фиг. 14а) и средней 14.3 ГГц (фиг. 14b) частот канала ₂. Входной коэффициент стоячей волны на входе ПА канала ₂ не превышает 1.8. На фиг. 15 для ₁ = 25 мм показаны расчетные диаграммы направленности ПА с размерами 600 х 600 мм² с числом линеек 30 на основе П-образных ИВ (см. фиг. 11) и равноамплитудного возбуждения продольных ИЩ в режиме бегущей волны. Уровень первого бокового лепестка диаграммы направленности для плоскостей X и Y на уровне - (13 - 15) дБ (рис. 15a, b,c). Кроссполяризационная составляющая (поле E_y на фиг. 12d) находится на уровне - 42 дБ для < 15^o и на уровне - 12 дБ для 57^o. Коэффициент стоячей волны равен 1.12. В диапазоне частот канала ₁ ( = 24.5 - 25.5 мм, см. фиг. 16,17) в линейках половинной длины при сохранении равноамплитудного возбуждения возникает наклон фазового распределения по щелям. Изменения фазового наклона приводит к снижению примерно до 0.5 для крайних частот канала ₁.и