широкополосная антенна

Формула изобретения

ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА, содержащая плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнена система возбуждения и излучающий рупор, связанный с ней, отличающаяся тем, что излучающий рупор образован двумя пересекающимися рупорами, точка пересечения смежных стенок которых лежит на оси симметрии излучающего рупора на расстоянии больше половины длины волны до каждой наружной стенки в направлении, перпендикулярном оси симметрии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в широкополосных антеннах, где применяются поперечные и продольные излучатели. Такие излучатели реализуют рупорные, линзовые, зеркальные, дискретные антенны, антенны поверхностных волн и антенны в виде открытых продольных излучателей [Кюн Р. Микроволновые антенны. М. Судостроение, 1967, с.95, 198, 258, 304, 373, 420]

Указанные антенные системы (АС) являются эффективными устройствами, позволяющими получать технические параметры в ограниченной полосе частот. При попытке создания АС с полосой пропускания в несколько октав (до декады) возникают значительные технические трудности с обеспечением высоких электрических параметров (ширины диаграммы направленности (ДН), низкого уровня боковых лепестков, коэффициента усиления (КУ)) в указанной полосе частот.

Известно техническое решение, описанное в патенте США N 4001834, 1977, где предложена сборка из печатной антенны и передающей линии, изготовленных на единой плате. На одной стороне платы (лицевой) основная поверхность занята металлизированным (медным) проводником. На металлизации удалена часть поверхности, ограниченная конусом (рупором), сужающаяся часть которого переходит в щелевую линию. Если ВЧ энергия поступает через щелевую линию, то края конуса заставляют связаться с пространством. Положение точки, в которой выполнено соединение микрополоска относительно щелевой линии, определяет импеданс антенны. На оборотной стороне платы расположен микрополосковый проводник, работающий в качестве передающей ВЧ линии (система возбуждения). Микрополосок проходит по щелевой линии и обеспечивает емкостную связь с последней,

Недостатками указанного устройства являются:

относительно узкая полоса пропускания (до октавы);

относительно большая линейная протяженность в несколько длин волн;

значительные сложности согласования раскрыва антенны со свободным пространством в полосе частот.

Целью изобретения является расширение полосы пропускания АС до декады; уменьшение линейной протяженности АС; получение динамического амплитудно-фазового распределения (АФР) на апертуре, что позволит довольно просто решить вопросы расширения полосы пропускания, согласование раскрыва АС со свободным пространством, а также модификации ее ДН в широкой полосе частот.

Это достигается тем, что в широкополосной антенне, содержащей плоскую диэлектрическую основу с металлизи- рованными слоями, в которых выполнена система возбуждения и излучающий рупор, связанный с ней, излучающий рупор образован двумя пересекающимися рупорами, точка пересечения смежных стенок которых лежит на оси симметрии излучающего рупора на расстоянии больше половины длины волны до каждой наружной стенки в направлении, перпендикулярном оси симметрии.

Такая конструкция АС с неоднородностью в апертуре в виде скачкообразного перехода позволяет реализовывать направляющую систему (область связи длиной l), в которой созданы условия для возбуждения распространяющихся высших и низших мод, т.е. получить динамическое амплитудно-фазовое распределение на раскрыве, что позволяет довольно просто решить вопросы расширения полосы пропускания, согласования АС со свободным пространством и модификации ее ДН в широкой полосе частот.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена широкополосная антенна; на фиг.2 механизм переотражений собственных волн на неоднородностях; на фиг. 3 и 4 принцип суперпозиции распространяющихся мод для случаев синфазного и противофазного возбуждения неоднородности скачкообразного перехода; на фиг.5 нормированные ДН для случаев синфазного (С=О) и противофазного (С= ) возбуждения апертуры.

Предлагаемая антенна выполнена с применением современной технологии печатных плат, которые отличаются компактностью, малой массой и высокой технологичностью.

На фиг.1 обозначены: 1 плоские рупоры (конусы), выполненные на металлизированном диэлектрике; 2 щелевые линии; 3 микрополосковые линии (система возбуждения АС); 4 область связи длиной l (скачкообразный переход М); 5 наружная образующая верхнего плоского рупора (конуса); 6 наружная образующая нижнего плоского рупора (конуса); 7 внутренняя образующая верхнего плоского рупора (конуса); 8 внутренняя образующая нижнего плоского рупора (конуса); сплошные линии лицевая сторона платы, затушеванная часть лицевой стороны соответствует наличию металлизации, пунктиром обозначены микрополосковые линии на оборотной стороне платы, которые реализуют систему возбуждения АС; линия О₁О ось симметрии излучающего рупора, проходит через точку О и перпендикулярна раскрыву АС; линия O" O" характеризует местоположение плоскости стыка неоднородности скачкообразного перехода; линия O"" O"" характеризует местоположение плоскости стыка неоднородности "раскрыв свободное пространство". Точка О, образованная пересечением внутренних образующих 7 и 8, характеризует местоположение неоднородности внутри направляющей системы, ограниченной наружными образующими 5 и 6, для которой строго могут быть сформулированы граничные условия. Справа от точки О линейный размер апертуры скачком увеличивается в два раза. В области связи возникают условия для возбуждения высших и низших распространяющихся мод. Точки O"", O"" также характеризуют неоднородности, в которых направляющая система стыкуется со свободным пространством (стык О"""O""). Протяженность скачкообразного перехода (область связи М) характеризуется расстоянием между стыками O"O" и O""O"" l.

В качестве элементов нулевого уровня не обязательно должны быть рупоры 1, в общем случае можно использовать любые плоские излучатели, образующие которых описываются отдельной экспонентой или набором экспонент. Желательно, чтобы пресечение образующих 7 и 8 описывалось разрывной функцией, т.е. образовывали острие, а не гладкую кривую.

На фиг. 2 изображены переотражения собственных волн между неоднородностями в направляющей системе (области связи М), где плоскость 1 соответствует стыку O"O", часть пространства слева от плоскости стыка О"О" обозначена как область I, плоскость 2 соответствует стыку О""О"", пространство справа от стыка обозначено как область II (свободное пространство). На плоскость 1 слева падает волна Ео единичной амплитуды структуры Н₁. Часть энергии отражается обратно в область I в виде волны того же типа с амплитудойN_n}_II. Оставшаяся часть проходит в область М в виде волн Н_р (сплошные линии) с амплитудамиN_m}_1p, где p 1,2,3.i,j,k, Количество волн в области M не ограничивается. У плоскости 2 волны Н_р приобретают дополнительный фазовый набег и имеют амплитуды P_1p. Каждая из волн Н_р на плоскости 2 преобразуется в прошедшую волну области II с амплитудой P_1pR_p1 и в отраженные волны учитываемых типов с амплитудами P_1pM_m}_pg, где p,g1,2,3,i,j,k. Отраженные волны вновь попадают на плоскость 1, частично проходят в область 1, остальная часть отражается в свою очередь в виде набора учитываемых волн. Рассмотрев несколько последовательных отражений, можно обнаружить ряд закономерностей, позволяющих рассчитать амплитуды A_m^I и A_m^II поля, появившегося соответственно в областях I и II за счет многократных переотражений волн между неоднородностями. Амплитуды A_m^I и A_m^II равны сумме слагаемых, количество которых соответствует числу учитываемых волн, каждое слагаемое равно произведению коэффициента V_p1для A_m^I или R_p1 для A_m^II на суммарную амплитуду (с учетом всех переотражений ) волны с индексом p в области M.

Если на плоскость 1 одновременно падает несколько волн структуры Н₁, то кроме рассмотренного механизма переотражений между волнами одинаковой структуры наблюдается суперпозиция. Благодаря суперпозиции можно выделить либо только четные, либо только нечетные волны, либо получить набор волн с нужными амплитудами, а за счет подбора протяженности l получить требуемый фазовый набег. На фиг. 3 и 4 поясняется механизм суперпозиции для самого простого случая, когда в области М учтены только одна четная и одна нечетная моды, при возбуждении неоднородности скачкообразного перехода (при этом механизм переотражений волн не pассматривается).

При синфазном (фи.3) и противофазном (фиг.4) возбуждении плоских рупоров волной Н₁ в силу граничных условий и условий возбуждения неоднородности в области М распространяются низшие 1¹, 2¹ и высшие 1", 2" моды. При синфазном возбуждении перехода моды 1¹ и 2¹ окажутся в фазе, а 1" и 2" в противофазе, в результате суперпозиции останется только результирующая мода (1¹ + 2¹) нечетная, при противофазном возбуждении останется только результирующая мода (1" + 2") четная. Рассмотренные механизмы переотражений собственных волн на неоднородностях и суперпозиции позволяют получить набор мод с нужным отношением их амплитуд и требуемым фазовым набегом, что реализует динамическое АФР на раскрыве АС и тем самым обеспечивает создание широкополосной АС с легко модифицируемой ДН.

Для простейшего случая возбуждения апертуры четной и нечетной распространяющимися модами распределение электрического поля в раскрыве можно представить в виде

E_(x,y)= E_o(cos x + Ce^j sin x) (1) где

E_o= A₁e; Ce^j e

A₁, ₁ амплитуда и фаза моды Н₁;

A₂, ₂ амплитуда и фаза моды Н₂;

Нормированное значение функции усиления раскрыва с АФР (1) описывается выражением

D(u) sin + cos (2) где U sin cos направляющиекосинусы;

размер раскрыва, нормированный к длине волны;

, пространственные углы сферической системы координат.

На фиг. 5 построены нормированные ДН согласно (2), соответствующие случаям синфазного (С= 0) и противофазного (С=10⁵) возбуждения неоднородности перехода.

Из изложенного становится очевидным, что задачи, поставленные при разработке данного технического решения, полностью решены предлагаемой конструкцией антенны, которая реализует динамическое амплитудно-фазовое распределение на апертуре, довольно просто решает вопрос согласования АС со свободным пространством и модификацию ее ДН в широкой полосе частот.

Предлагаемое изобретение это весьма совершенная микрополосковая антенна, выполняемая с применением современной технологии печатных плат, отличающаяся компактностью, малой массой и высокой технологичностью. Интерес к таким антеннам в последние годы значительно возрос в связи с заметными успехами в области технологии изготовления больших печатных плат, а также благодаря созданию новых диэлектрических материалов для подложек. Все это показывает, что данная антенна найдет широкое применение в электротехнике.