Патент на изобретение №2310955

(54) ДВУХДИАПАЗОННЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ С КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ ПОЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в качестве облучателя зеркальных антенн радиотехнических станций различного назначения, в частности в антеннах радиорелейных и космических станций. Технический результат заключается в обеспечении возможности приема сигналов с поляризационным уплотнением за счет повышения развязки между ортогональными каналами. Сущность изобретения состоит в том, что в двухдиапазонном облучателе с круговой поляризацией поля, содержащем последовательно соединенные рупор, первую секцию круглого волновода низкочастотного диапазона с поляризатором, прямоугольный волновод, размещенный перпендикулярно к оси первой секции круглого волновода и связанный с его внутренней областью посредством продольной щели, вторую секцию круглого волновода высокочастотного диапазона с поляризатором и питающим прямоугольным волноводом, причем первая и вторая секции круглого волновода соединены последовательно посредством плавного перехода, а питающий прямоугольный волновод соединен соосно со второй секцией круглого волновода посредством плавного перехода, поляризатор первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона и поляризатор второй секции круглого волновода высокочастотного диапазона выполнены каждый в виде двух идентичных металлических пластин толщиной 0,09_срS1,1_ср каждая, где _ср – средняя длина волны соответствующего рабочего диапазона, имеющих форму равнобочной трапеции с длиной нижнего основания 2,6_срl_н2,8_ср и длиной верхнего основания 0,4_срl_в0,6_ср, расположенных нижними основаниями на внутренних стенках соответствующей секции круглого волновода, симметрично относительно его осей, при этом высота h_н трапеций поляризатора первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона выбрана равной h_н=0,185_ср, а высота h_в трапеций поляризатора второй секции круглого волновода высокочастотного диапазона – h_в=(0,16-0,17)_ср, причем профиль боковых сторон трапеций поляризатора первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона выполнен по закону , где x, y – соответственно абсцисса и ордината прямоугольной системы координат XOY, начало которой совпадает с началом нижнего основания, при этом положительная ось ОХ совпадает с нижним основанием трапеции, а положительная ось OY направлена в сторону верхнего основания. 2 ил.

Изобретение относится к антенной технике СВЧ диапазона и может быть использовано в качестве облучателя зеркальных антенн радиотехнических станций различного назначения, в частности в антеннах радиорелейных и космических станций.

Известны конструкции двухдиапазонного облучателя с круговой поляризацией поля (IEEE Trans. Antennas and Propog., 1984, V.32, №10, p.1108-1111), содержащие две круглые волноводные секции разного диаметра, соединенные соосно и возбуждаемые прямоугольными волноводами, расположенными перпендикулярно к их продольным осям, и диэлектрические поляризаторы в каждой круглой волноводной секции. Такой облучатель обеспечивает работу в двух диапазонах частот с круговой поляризацией поля и имеет симметричные диаграммы направленности.

Недостатками известных конструкций двухдиапазонного облучателя являются узкая рабочая полоса частот высокочастотного диапазона, сложность конструктивной компоновки облучателя и его системы возбуждения, большие потери, вызванные конструктивным исполнением системы возбуждения и дополнительными потерями в ВЧ диапазоне за счет работы круглого волновода в одномодовом режиме, малая электрическая прочность.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа двухдиапазонный облучатель с круговой поляризацией поля (авт. св. СССР №1758732 AI кл. H01Q 13/02), содержащий последовательно соединенные рупор, первую секцию круглого волновода низкочастотного диапазона с диэлектрическим поляризатором, прямоугольный волновод, размещенный перпендикулярно к оси первой секции круглого волновода и связанный с его внутренней областью посредством продольной щели, вторую секцию круглого волновода высокочастотного диапазона с поляризатором, расположенным в одной плоскости с поляризатором первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона, и питающий прямоугольный волновод, причем первая и вторая секции круглого волновода соединены последовательно посредством плавного перехода, а питающий прямоугольный волновод размещен соосно со второй секцией круглого волновода и соединен с ней посредством плавного перехода.

Такой двухдиапазонный облучатель с круговой поляризацией обладает увеличенной полосой частот в ВЧ диапазоне, простой конструкцией и малыми потерями.

Существенным недостатком двухдиапазонного облучателя с круговой поляризацией является относительно низкий коэффициент эллиптичности (К_э), не превышающий значения 0,7, и, как следствие, малая величина поляризационной развязки между ортогональными каналами. В частности, при К_э=0,7 поляризационная развязка L между ортогональными каналами при приеме сигналов с круговой поляризацией составляет L<15 дБ, что ограничивает применение двухдиапазонного облучателя круговой поляризации в зеркальных антеннах радиорелейных и космических станций, поскольку при такой величине поляризационной развязки работа станций в режиме поляризационного уплотнения становится невозможной.

Техническая задача изобретения – возможность приема сигналов с поляризационным уплотнением за счет повышения развязки между ортогональными каналами.

Задача достигается тем, что в известном двухдиапазонном облучателе с круговой поляризацией, содержащем последовательно соединенные рупор, первую секцию круглого волновода низкочастотного диапазона с поляризатором, прямоугольный волновод, размещенный перпендикулярно к оси первой секции круглого волновода и связанный с его внутренней областью посредством продольной щели, вторую секцию круглого волновода высокочастотного диапазона с поляризатором, расположенным в одной плоскости с поляризатором первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона, и питающий прямоугольный волновод, причем первая и вторая секции круглого волновода соединены последовательно посредством плавного перехода, а питающий прямоугольный волновод размещен соосно со второй секцией круглого волновода и соединен с ней посредством плавного перехода, согласно изобретению поляризатор первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона и поляризатор второй секции круглого волновода высокочастотного диапазона выполнены каждый в виде двух идентичных металлических пластин толщиной 0.09_срS1.1_ср каждая, где _ср – средняя длина волны соответствующего рабочего диапазона, имеющих форму равнобочной трапеции с длиной нижнего основания 2.6_срl_н2.8_ср и длиной верхнего основания 0.4_срl_н0.6_ср, расположенных нижними основаниями на внутренних стенках соответствующей секции круглого волновода, симметрично относительно его осей, при этом высота h_н трапеций поляризатора первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона выбрана равной h_н=0,185_ср, а высота h_в трапеций поляризатора второй секции круглого волновода высокочастотного диапазона – h_в=(0,16-0,17)_ср, причем профиль боковых сторон трапеций пляризатора первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона выполнен по закону , где x, y – соответственно абсцисса и ордината прямоугольной системы координат XOY, начало которой совпадает с началом нижнего основания, при этом положительная ось ОХ совпадает с нижним основанием трапеции, а положительная ось OY направлена в сторону верхнего основания.

Сопоставленный анализ с прототипом показывает, что двухдиапазонный облучатель с круговой поляризацией поля отличается тем, что поляризатор первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона и поляризатор второй секции круглого волновода высокочастотного диапазона выполнены каждый в виде двух идентичных металлических пластин толщиной 0.09_срS1.1_ср каждая, где _ср – средняя длина волны соответствующего рабочего диапазона, имеющих форму равнобочной трапеции с длиной нижнего основания 2.6_срl_н2.8_ср и длиной верхнего основания 0.4_срl_в0.6_ср, расположенных нижними основаниями на внутренних стенках соответствующей секции круглого волновода, симметрично относительно его осей, при этом высота h_н трапеций поляризатора первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона выбрана равной h_н=0,185_ср, а высота h_в трапеции поляризатора второй секции круглого волновода высокочастотного диапазона – h_в=(0,16-0,17)_ср, причем профиль боковых сторон трапеций поляризатора первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона выполнены по закону , где x, y – соответственно абсцисса и ордината прямоугольной системы координат XOY, начало которой совпадает с началом нижнего основания, при этом положительная ось ОХ совпадает с нижним основанием трапеции, а положительная ось OY направлена в сторону верхнего основания.

Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения «новизна».

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенные поляризаторы известны, однако выполнение пластин поляризаторов предложенной формы и размеров с учетом их взаимосвязи позволяет повысить Кэ и, как следствие, обеспечить развязку между ортогональными каналами при приеме сигналов с круговой поляризацией до уровня, необходимого для приема сигналов с поляризационным уплотнением, т.е. обеспечивает получение положительного эффекта.

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства.

На фиг.1 приведен общий вид двухдиапазонного облучателя с круговой поляризацией.

На фиг.2 приведен общий вид пластин поляризатора первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона.

Устройство (фиг.1) содержит: 1 – рупор; 2 – первая секция круглого волновода; 3 – поляризатор первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона; 4 – продольная щель; 5 – прямоугольный волновод; 6 – плавный переход; 7 – вторая секция круглого волновода; 8 – поляризатор второй секции круглого волновода высокочастотного диапазона; 9 – плавный переход; 10 – питающий прямоугольный волновод; 11 – металлическая пластина поляризатора первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона; 12 – металлическая пластина поляризатора второй секции круглого волновода высокочастотного диапазона; 13 – профиль боковых сторон трапеций поляризатора первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона.

Конструктивно двухдиапазонный облучатель с круговой поляризацией поля (фиг.1) содержит последовательно соединенные рупор 1, первую секцию 2 круглого волновода низкочастотного диапазона с поляризатором 3, прямоугольный волновод 5, размещенный перпендикулярно к оси первой секции круглого волновода 2 и связанный с его внутренней областью посредством продольной щели 4, вторую секцию круглого волновода 7 высокочастотного диапазона с поляризатором 8 и питающий прямоугольный волновод 10, причем первая 2 и вторая 7 секции круглого волновода соединены последовательно посредством плавного перехода 6, а питающий прямоугольный волновод 10 соединен соосно со второй секцией круглого волновода и соединен с ней посредством плавного перехода 9. Поляризатор 8 второй секции 7 круглого волновода высокочастотного диапазона выполнен в виде двух идентичных металлических пластин 12 толщиной 0.09_срS1.1_ср, имеющих форму равнобочной трапеции с длиной нижнего основания 2.6_срl_н2.8_ср, длиной верхнего основания 0.4_срl_в0.6_ср и высотой h_в=(0,16-0,17)_ср. Металлические пластины 12 расположены нижними основаниями на внутренних стенках второй секции 7 круглого волновода высокочастотного диапазона симметрично относительно его осей.

Поляризатор 3 первой секции 2 круглого волновода низкочастотного диапазона расположен в одной плоскости с поляризатором 8 и выполнен в виде двух идентичных металлических пластин 11 толщиной 0.09_срS1.1_ср. Каждая металлическая пластина 11 имеет форму равнобочной трапеции (фиг.2), длина нижнего основания которой 2.6_срl_н2.8_ср, длина верхнего основания 0.4_срl_в0.6_ср, а высота h_н=0,185_ср. При этом профиль боковых сторон 13 трапеции этих металлических пластин выполнен гиперболической формы по закону , где x, y – соответственно абсцисса и ордината прямоугольной системы координат XOY, начало которой совпадает с началом нижнего основания, при этом положительная ось ОХ совпадает с нижним основанием трапеции, а положительная ось OY направлена в сторону верхнего основания.

Нижними основаниями металлические пластины 11 расположены на внутренних стенках первой секции 2 круглого волновода низкочастотного диапазона, симметрично относительно его осей.

Такая конструкция двухдиапазонного облучателя круговой поляризации позволяет увеличить коэффициент эллиптичности и развязку между ортогональными каналами в диапазоне рабочих частот.

Двухдиапазонный облучатель с круговой поляризацией поля работает следующим образом

Принимаемая волна круговой поляризации низкочастотного диапазона преобразуется поляризатором 3 в волну линейной поляризации и через продольную щель 4 возбуждает прямоугольный волновод 5 и поступает в приемный тракт.

Электромагнитная линейно-поляризованная волна высокочастотного диапазона, подводимая прямоугольным волноводом 10 через плавный переход 3, возбуждает круглый волновод 7. Поляризатор 8 преобразует линейно-поляризованную волну в волну эллиптической поляризации, которая через плавный переход 6 возбуждает круглый волновод. Проходя через поляризатор 3, волна эллиптической поляризации трансформируется им в волну с поляризацией, близкой к круговой. При этом высокое значение коэффициента эллиптичности излучаемой рупором электромагнитной волны достигается за счет выбора размеров металлических пластин 12 поляризатора 8 и размеров и формы боковых сторон металлических пластин 11 поляризатора 3. Размеры и форма металлических пластин поляризаторов 3 и 8 экспериментально подобраны такими, чтобы после последовательного прохождения линейно-поляризованной волны высокочастотного диапазона через поляризатор 8 высокочастотного диапазона и поляризатор 3 низкочастотного диапазона она приобретала эллиптическую поляризацию с максимально возможным значением коэффициента эллиптичности.

В результате экспериментальных исследований макета установлено, что в диапазоне частот 20-22 ГГц и 42-44,5 ГГц коэффициент эллиптичности излучаемой электромагнитной волны достигает максимального значения К_э0,86, а развязка между ортогональными каналами заявляемой конструкции двухдиапазонного облучателя с круговой поляризацией поля – значения L=24,3 дБ в том случае, когда металлические пластины поляризаторов 3 и 8 выполнены в форме равнобочной трапеции с длиной нижнего основания l_н=2,7_ср, длиной верхнего основания l_в=0,5_ср и толщиной S=0,1_ср, при этом высота h_н металлических пластин 11 поляризатора 3 равной h_н=0,185_ср, и высотой металлических пластин 12 поляризатора 8 h_в=0,165_ср. При этом изменение размеров l_н, l_в и S в пределах 2.6_срl_н2.8_ср, 0.4_срl_в0.6_ср и 0.09_срS1.1_ср практически не ведет к изменению коэффициента эллиптичности К_э излучаемой волны. Выход размеров металлических пластин за указанные пределы ведет к снижению К_э. При выбранных значениях l_н, l_в и S наблюдается жесткая зависимость К_э излучаемой волны как низкочастотного, так и высокочастотного диапазонов длин волн от значения высот металлических пластин h_в и h_н. Поэтому необходима последовательная настройка поляризатора. Первоначально настраивается поляризатор низкочастотного диапазона и фиксируется высота h_н, а затем подбирается высота металлических пластин высокочастотного диапазона с учетом влияния поляризатора низкочастотного диапазона на К_э излучаемой волны высокочастотного диапазона. При выбранных размерах l_н и S металлических пластин поляризатора низкочастотного диапазона наибольшее значение К_э излучаемой волны наблюдается при h_н=0,185_ср. При фиксированном значении h_н=0,185_ср наиболее высокое значение К_э излучаемой волны высокочастотного диапазона с учетом взаимного влияния поляризаторов наблюдается при h_в=(0,16-0,17)_ср.

При выбранных размерах металлических пластин выполнение боковых сторон металлических пластин поляризатора 3 низкочастотного диапазона гиперболической формы по предложенному закону улучшает согласование рупора с волновым сопротивлением среды и повышает коэффициент эллиптичности излучаемой волны до значения К_э0,9. При этом поляризационная развязка между ортогональными каналами составляет L=26,4 дБ.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет увеличить коэффициент эллиптичности двухдиапазонного облучателя с круговой поляризацией до значение К_э0,9 и, как следствие, увеличить развязку между ортогональными каналами до 26,4 дБ, обеспечивая тем самым возможность его использования в антеннах радиорелейных и космических станций с поляризационным уплотнением.

Формула изобретения

Двухдиапазонный облучатель с круговой поляризацией поля, содержащий последовательно соединенные рупор, первую секцию круглого волновода низкочастотного диапазона с поляризатором, прямоугольный волновод, размещенный перпендикулярно к оси первой секции круглого волновода и связанный с его внутренней областью посредством продольной щели, вторую секцию круглого волновода высокочастотного диапазона с поляризатором, расположенным в одной плоскости с поляризатором первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона, и питающий прямоугольный волновод, причем первая и вторая секции круглого волновода соединены последовательно посредством плавного перехода, а питающий прямоугольный волновод размещен соосно со второй секцией круглого волновода и соединен с ней посредством плавного перехода, отличающийся тем, что поляризатор первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона и поляризатор второй секции круглого волновода высокочастотного диапазона выполнены каждый в виде двух идентичных металлических пластин толщиной 0,09_срS1,1_ср каждая, где _ср – средняя длина волны соответствующего рабочего диапазона, имеющих форму равнобочной трапеции с длиной нижнего основания 2,6_срl_н2,8_ср и длиной верхнего основания 0,4_срl_в0,6_ср, расположенных нижними основаниями на внутренних стенках соответствующей секции круглого волновода, симметрично относительно его осей, при этом высота h_н трапеций поляризатора первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона выбрана равной h_н=0,185_ср, а высота h_в трапеций поляризатора второй секции круглого волновода высокочастотного диапазона – h_в=(0,16-0,17)_ср, причем профиль боковых сторон трапеций поляризатора первой секции круглого волновода низкочастотного диапазона выполнен по закону , где x, y – соответственно, абсцисса и ордината прямоугольной системы координат XOY, начало которой совпадает с началом нижнего основания, при этом положительная ось ОХ совпадает с нижним основанием трапеции, а положительная ось OY направлена в сторону верхнего основания.

РИСУНКИ