Патент на изобретение №2332758

(54) СОВМЕЩЕННЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенной технике, в частности в технике связи и спутникового телевидения. Технический результат – повышение эффективности за счет уменьшения искажений амплитудного распределения и диаграммы направленности. Совмещенный облучатель содержит круглый волновод низкочастотного диапазона, в котором размещен поляризатор, и круглый волновод высокочастотного диапазона, присоединенный к волноводу низкочастотного диапазона, причем ось волновода высокочастотного диапазона расположена перпендикулярно оси волновода низкочастотного диапазона. Поляризатор выполнен в виде селективного экрана, расположенного наклонно внутри волновода и состоящего из тонкой диэлектрической пластины, на которой выполнена густая решетка из резонансных элементов в виде диполей, настроенных на частоту высокочастотного диапазона. Контур поляризатора представляет собой эллипс. Диполи поляризатора ориентированы перпендикулярно оси волновода низкочастотного диапазона и под углом 45 градусов по отношению к плоскости вектора электрического поля волны низкочастотного диапазона. Вектор электрического поля волны высокочастотного диапазона параллелен диполям. Облучатель формирует волну круговой поляризации в низкочастотном диапазоне и волну линейной поляризации в высокочастотном диапазоне. Волна высокочастотного диапазона распространяется по плавному переходу, образованному поляризатором и стенкой волновода низкочастотного диапазона. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенной технике, в частности в технике связи и спутникового телевидения.

Известен волноводный поляризатор, выполненный в виде круглого волновода, в котором размещена тонкая диэлектрическая пластина, на поверхности которой выполнена густая решетка из диполей [1].

Недостатком этого поляризатора является то, что он располагается в плоскости, проходящей через ось круглого волновода, и не может быть использован в качестве дополнительного устройства, например в качестве селективного экрана.

Известен совмещенный облучатель зеркальной антенны, состоящий из двух рупоров, работающих в различных частотных диапазонах и облучающих общий селективный экран, расположенный под углом 45 градусов по отношению к рупорам [2]. Селективный экран выполнен в виде решетки из диполей, настроенных на частоту одного из диапазонов.

Недостатком этого устройства является то, что селективный экран не может быть использован в качестве дополнительного устройства, например в качестве поляризатора.

Известен совмещенный облучатель зеркальной антенны, состоящий из двух соосных круглых волноводов, работающих в различных частотных диапазонах и вложенных друг в друга [3]. Для формирования диаграммы направленности совмещенного облучателя требуемой ширины с целью эффективного облучения зеркальной антенны используют рефлектор, а для формирования поля с круговой поляризацией используют поляризатор.

Недостатками этого облучателя являются сложность конструкции, значительный продольный габарит и низкая эффективность из-за взаимного влияния волноводов. В низкочастотном диапазоне внутренний волновод является запредельным, значительно искажая амплитудное распределение в апертуре внешнего волновода. А диаграмма направленности внутреннего волновода значительно искажается внешним волноводом.

В основу настоящего изобретения положена задача создать совмещенный облучатель, обеспечивающий упрощение конструкции.

Поставленная задача решается тем, что в совмещенном облучателе, содержащем круглый волновод низкочастотного диапазона, в котором размещен поляризатор, а также круглый волновод высокочастотного диапазона, согласно изобретению волновод высокочастотного диапазона закреплен на стенке волновода низкочастотного диапазона сбоку, при этом поляризатор выполнен в виде селективного экрана, расположенного наклонно внутри волновода низкочастотного диапазона и состоящего из тонкой диэлектрической пластины, на которой выполнена густая решетка из резонансных элементов, например диполей, настроенных на частоту высокочастотного диапазона. Дополнительно в волноводе низкочастотного диапазона со стороны апертуры выполнена осесимметричная рассеивающая линза, например, в виде отрезка волновода низкочастотного диапазона с расположенным в нем диэлектрическим цилиндрическим стержнем.

Такое выполнение совмещенного облучателя позволяет упростить его конструкцию и повысить эффективность.

Изобретение поясняется чертежами, где:

– на фиг.1 изображен вариант совмещенного облучателя для офсетного зеркала;

– на фиг.2 изображены варианты выполнения поляризатора;

– на фиг.3 изображен вариант совмещенного облучателя для осесимметричного зеркала;

– на фиг.4 изображена рассеивающая линза и ее диаграмма направленности.

На практике применяются совмещенные облучатели, обеспечивающие прием круговой поляризации в низкочастотном С-диапазоне (3,4…4,2 ГГц) и линейной поляризации в высокочастотном Ku-диапазоне (10,5…12,75 ГГц). Совмещенный облучатель, изображенный на фиг.1, содержит круглый волновод 1 низкочастотного диапазона, присоединительный фланец 2, диэлектрическую пластину-переход 3 на прямоугольное сечение, поляризатор 4 и рефлектор 5 с защитной крышкой 6. Сбоку к волноводу 1 присоединен круглый волновод 7 высокочастотного диапазона с фланцем 8. Ось 9 волновода 7 расположена, например, перпендикулярно оси 10 волновода 1. Поляризатор 4 расположен внутри волновода 1 наклонно и выполнен в виде селективного экрана. Поляризатор 4 изображен на фиг.2а и представляет собой тонкую диэлектрическую пластину 11, на поверхности которой выполнена печатным способом решетка из резонансных отражающих элементов, например параллельных диполей 12. Контур поляризатора 4 представляет собой эллипс. Диполи 12 поляризатора 4 ориентированы перпендикулярно оси 10 волновода 1 и под углом 45 градусов по отношению к вектору электрического поля волны 13 низкочастотного диапазона в месте расположения пластины-перехода 3. Вектор электрического поля волны 14 высокочастотного диапазона параллелен диполям 12. Между апертурой 15 волновода 1 и поляризатором 4 выполнен регулярный участок 16 волновода 1. Поляризатор 4 приклеен к стенке круглого волновода 1.

Рассмотрим принцип работы облучателя. В низкочастотном диапазоне составляющая волны 13, параллельная диполям 12, испытывает замедление, в то время как составляющая волны 13, перпендикулярная диполям 12, проходит практически без замедления. Количество и расположение диполей 12 подобрано таким образом, что поляризатор 4 в низкочастотном диапазоне согласован и обеспечивает внесение дифференциального фазового сдвига в 90 градусов. Рефлектор 5 обеспечивает формирование диаграммы направленности, требуемой для эффективного облучения офсетного зеркала. В высокочастотном диапазоне диполи 12 поляризатора 4 являются резонансными и достаточно густо расположенными для обеспечения хорошей отражательной способности. Волна 14 высокочастотного диапазона излучается волноводом 7 и распространяется по плавному переходу, образованному поляризатором 4 и стенкой круглого волновода 1. На участке 16 регулярного участка волновода 1 за счет принудительного преломления происходит выравнивание фазового фронта волны, что приводит к формированию диаграммы направленности, требуемой для эффективного облучения офсетного зеркала. Реализован плоский поляризатор 4, содержащий решетку из 25 рядов диполей, общее число диполей равно 87. Уровень поляризационной развязки на частоте 3,675 ГГц составил 25 дБ.

Для обеспечения работы устройства в Ku-диапазоне на круговой поляризации диполи 12 поляризатора 4 могут быть выполнены с взаимно перпендикулярной ориентацией [4], например, как изображено на фиг.2б.

Вариант облучателя для осесимметричного зеркала изображен на фиг.3 и отличается выполнением излучающей части. Для формирования требуемой широкой диаграммы направленности в низкочастотном диапазоне на круглый волновод 1 установлен рефлектор 17, имеющий, например, концентрические канавки. В высокочастотном диапазоне необходимо расширить диаграмму направленности с помощью рассеивающей линзы. Осесимметричная линза представляет собой участок регулярного волновода 1, в котором со стороны апертуры 15 волновода 1 установлен соосно диэлектрический цилиндрический стержень 18, закрепленный, например, непосредственно на защитной диэлектрической крышке 19. В этом случае в волноводе 1 образуются два канала распространения волны. Один канал представляет собой цилиндрический стержень 18, волна в котором испытывает замедление на 180 градусов. Другой канал образован оставшимся пространством с воздушным заполнением. Благодаря противофазному кольцевому участку поля в апертуре волновода 1 формируется более широкая диаграмма направленности [5]. Поле в апертуре волновода 1 в этом случае согласовано с полем, формируемым в фокальной плоскости зеркальной антенны при падении на нее плоской волны, что приводит к повышению эффективности облучателя. На фиг.4а, б изображена рассеивающая линза и ее диаграммы направленности, имеющие столообразный вид и пригодные для эффективного облучения осесимметричного зеркала. Кривой 20 соответствует диаграмма направленности в Е-плоскости, кривой 21 – в Н-плоскости. Стержень 18 выполнен из фторопласта длиной 35 мм и диаметром 16 мм. Диаметр волновода 1 равен 61 мм. При этом цилиндрический стержень 18 в С-диапазоне представляет собой трансформатор сопротивлений, обеспечивающий улучшение согласования апертуры 15 волновода 1 со свободным пространством.

Предлагаемое решение открывает также возможность оборудования имеющихся облучателей С-диапазона насадками Ku-диапазона для расширения их функциональных возможностей. В этом случае соединяют круглые волноводы имеющегося облучателя С-диапазона и предлагаемого облучателя без использования присоединительного фланца 2 и пластины перехода 3.

Положительный эффект предлагаемого устройства заключается в упрощении конструкции за счет совмещения функций, в частности поляризатор 4 в виде селективного экрана и волновод 1 низкочастотного диапазона используются для канализации волн обоих диапазонов, а стержень 18 используется как рассеивающая линза и как трансформатор сопротивлений. Другим достоинством облучателя является повышение его эффективности за счет увеличения приемной апертуры и более равномерного амплитудного распределения в ней, что приводит к повышению коэффициента усиления зеркальной антенны.

Предложенное техническое решение может быть использовано в различных антеннах для систем связи и спутникового телевидения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ № 2265922, Н01Р 1/161, 2004.

2. А.с. СССР № 141515, H01Q 15/16, 1961.

3. Патент США № 4819005, кл. 343/786, 1986.

4. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Т., Терешин О.Н., Антенны УКВ. – Ч.2. М.: «Связь», 1977, стр.175, 176.

5. Сборник. Антенны, вып.1 (92), 2005, стр.59-62.

Формула изобретения

1. Совмещенный облучатель, содержащий круглый волновод низкочастотного диапазона, в котором размещен поляризатор, а также круглый волновод высокочастотного диапазона, отличающийся тем, что волновод высокочастотного диапазона присоединен к волноводу низкочастотного диапазона сбоку, причем ось волновода высокочастотного диапазона расположена перпендикулярно оси волновода низкочастотного диапазона, при этом поляризатор выполнен в виде селективного экрана, расположенного наклонно внутри волновода низкочастотного диапазона и состоящего из тонкой диэлектрической пластины, на которой выполнена густая решетка из резонансных элементов в виде диполей, настроенных на частоту высокочастотного диапазона и ориентированных перпендикулярно оси волновода низкочастотного диапазона и под углом 45° по отношению к плоскости вектора электрического поля волны низкочастотного диапазона.

2. Облучатель по п.1, отличающийся тем, что в волноводе низкочастотного диапазона со стороны апертуры установлена рассеивающая линза, выполненная в виде отрезка волновода низкочастотного диапазона с расположенным в нем соосно диэлектрическим цилиндрическим стержнем.

РИСУНКИ