плоская щелевая двухвходовая антенна

Формула изобретения

Плоская щелевая двухвходовая антенна на основе многомодового Т-волновода, образованного двумя параллельными металлическими пластинами и заполненная диэлектриком, содержащая на верхней пластине две системы ортогональных прямоугольных щелей и возбуждаемая по периметру рупорно-параболическими возбудителями, отличающаяся тем, что ортогональные прямоугольные щели выполнены нерезонансными, а для возбуждения антенны используются четыре рупорно-параболических возбудителя, содержащих соответственно четыре плоских 90^o волноводных Н-рупора, основанием которых является нижняя металлическая пластина многомодового Т-волновода, и четыре входных прямоугольных волновода, которые по широкой стенке объединены попарно в центре антенны турникетным волноводным сумматором с конусным согласователем, который закреплен на нижней металлической пластине многомодового Т-волновода и через центрирующее отверстие штырем на верхней металлической пластине многомодового Т-волновода для его фиксации по центру, выходной квадратный волновод турникетного волноводного сумматора обеспечивает независимый прием и передачу сигналов антенны по двум поляризациям, выходы плоских 90^o волноводных Н-рупоров закрыты четырьмя металлическими перегородками, объединенно формирующими раму антенны, скрепленную с верхней и нижней металлическими пластинами многомодового Т-волновода, в последней в области плоских 90^o волноводных Н-рупоров по контуру парабол прорезаны четыре щели, ширина которых равна высоте плоских 90^o волноводных Н-рупоров, над которыми в раме расположены прямоугольные согласующие выступы и через которые по периферии парабол производится двустороннее возбуждение многомодового Т-волновода по каждой из его поляризаций плоскими синфазными волнами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в приемопередающих системах радиосвязи различного назначения в том числе спутникового телевидения и связи.

Известны антенны для спутниковой связи и телевидения на основе параболических зеркал. Подобные антенны громоздки, обладают значительной парусностью, накапливают в чашах зеркал снег, нарушают архитектурный облик здания. В ряде стран размещение зеркальных антенн в городах запрещено.

Плоские антенны (ПА) менее громоздки, имеют меньшую ветровую нагрузку, могут устанавливаться на стенах зданий и ограждениях балконов, не нарушают архитектурный облик зданий. ПА могут складываться, что удобно для перевозок и конструирования чемоданных (кейсовых) антенн.

Для спутникового телевидения, как правило, разрабатываются ПА с приемом поляризации одного вида: вертикальная (В), горизонтальная (Г), левая круговая (ЛК), правая круговая (ПК). Прием сигналов другой поляризации в этом случае требует установки второй ПА.

Для систем связи ПА должны иметь два входа и принимать сигнал с частотой f₁ по одной линейной поляризации и излучать сигнал с частотой f₂ по другой линейной поляризации (ПА, two way). Отличие частот f₁ и f составляет 20-30% Лучи по обоим поляризациям должны совпадать по направлению, обычно они ориентированы по нормали к раскрыву ПА.

Известны многослойные ПА с двумя входами (антенны ВАS-50 производства Германии) ЕР, предназначенные для приема сигналов телевидения произвольной поляризации. В ПА имеется 6-7 металлических печатных слоев, разделенных слоями диэлектрика [1] 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 отверстий формирует в ПА излучающие каналы с ортогональными поляризациями полей. К недостаткам печатных ПА относятся значительные потери в полосковых линиях, что снижает усилие G и параметр G/Т антенны, где Т - шумовая температура. ПА ВАS-50 (площадь излучающего полотна 500х500 мм) имеет значение G/т 11 дБ/К, что существенно ниже значений G/Т порядка 12-14 дБ/К, достигнутых для одновходовых ПА той же площади. Многослойные ПА имеют существенный вес (6,5 кг для антенны ВАS-50) и большую стоимость.

Более перспективными для систем связи являются ПА на основе плоских многомодовых волноводов, для которых могут быть получены более высокие значения G/Т, чем для полосковых антенн той же площади.

Известен вариант построения двухвходовой ПА на основе плоского многомодового волновода, заполненного диэлектриком ( 1,56) с двумя системами взаимно перпендикулярных резонансных прямоугольных щелей на верхней металлической плате волновода и двумя рупорно-параболическими возбудителями типа "пил бокс" [2] Каждый рупор возбуждается коаксиалом в вершине рупора и соединяется широкой частью с раскрывом антенны. Рупора образуют второй этаж ПА. Указанный патент можно рассматривать как прототип предлагаемого технического решения.

В прототипе, однако, не решаются важнейшие задачи, позволяющие на его основе конструировать ПА для систем спутниковой связи Кu диапазона с заданной площадью (0,2 м² и более), требуемым по стандартам спадом уровня боковых лепестков при передаче F() = 29+G-251q для углов = 1-48 и требуемой широкополосностью 4-8% при приеме и передаче. Применение идентичных прямоугольных резонансных щелей не позволяет создавать специальное амплитудное распределение по раскрыву ПА, необходимое для получения требуемого снижения боковых лепестков при передаче. Односторонняя запитка раскрыва рупором при длине раскрыва 0,6 м и более не обеспечивает получение требуемой полосы рабочих частот 4-8% Поперечные прямоугольные резонансные щели являются сильно излучающими. Синфазное сложение отражений от таких щелей, расположенных в многомодовом волноводе с шагом (l длина волны, e диэлектрическая постоянная) в режиме стоячей волны, когда волновод замкнут на конце, приводит к большим значениям КСВ на входе Т-волновода, возможности снижения которого в прототипе не рассматриваются. Коаксиальные выходы в рупорнопараболических возбудителях существенно усложняют конструкцию ПА в том случае, когда число рупорно-параболических возбудителей будет увеличено (двухсторонняя запитка) для расширения рабочей полосы частот ПА и для приема телевизионных сигналов одновременно двух круговых поляризацией или двух линейных поляризаций, как это обычно реализуется в зеркальных антеннах, возбуждаемых рупором с круглым входным двухполяризационным волноводом и ферритовым коммутатором.

Таким образом, в прототипе не решаются следующие задачи, возникающие в ПА спутниковой связи и телевидения.

Нет инструмента для формирования специального амплитудного распределения по раскрыву для получения требуемого при передаче спада боковых лепестков.

Не реализуется требуемая широкополосность ПА (4-8%) при длинах раскрыва 0,5-0,6 м в Кu диапазоне, так как используется односторонняя запитка.

Нет инструмента для уменьшения входного КСВ из-за синфазного сложения отражений от поперечных прямоугольных резонансных щелей.

Нет инструмента для приема сигналов телевидения как двух линейных, так и двух круговых поляризаций.

Предлагаемая конструкция ПА не имеет отмеченных выше недостатков прототипа.

Основные элементы конструкции предлагаемой ПА изображены на фиг. 1-4. На фиг. 1 показан разрез ПА6 на фиг. 2 вид на ПА снизу, где размещаются 4 рупорно-параболических возбудителя и турникетный волноводный сумматор, на фиг. 3 вид на ПА сверху при снятом защитном экране, на фиг. 4 турникетный волноводный сумматор.

На фиг. 1 введены обозначения: 1 верхняя металлическая пластина многомодового Т-волновода, содержащая две системы ортогональных нерезонансных прямоугольных щелей (см. фиг. 3); 2 металлическая рама, образованная из четырех вертикальных перегородок, каждая из которых по контуру имеет форму параболического цилиндра, скрепленных друг с другом, а также с верхней и нижней металлическими пластинами многомодового Т-волновода и содержащая прямоугольные согласующие выступы (см. фиг. 1 и 2); 3 нижняя металлическая пластина многомодового Т-волновода, в которой по контуру параболы прорезаны четыре щели, ширина которых равна высоте многомодового Т-волновода (см. фиг. 1 и 2); 4 четырех плоских 90 волноводных Н-рупора, основанием которых является нижняя металлическая пластина многомодового Т-волновода, с четырьмя входными прямоугольными волноводами и с четырьмя выходами в виде четырех щелей, размещенных по контуру парабол в пластине 3 (см. фиг. 2); 5 турникетный волноводный сумматор, который крепится к нижней металлической пластине многомодового Т-волновода, и соединенный с четырьмя входными волноводами плоских 90-волноводных Н-рупоров и имеющий внешний выходной квадратный волновод (см. фиг. 1, 2 и 4); 6 конусный согласователь турникетного волноводного сумматора, который крепится к нижней металлической пластине многомодового Т-волновода, 7- диэлектрический защитный экран; 8 пластина из пенопласта ( = 1,1) для фиксации верхней металлической пластины многомодового Т-волновода; 9 пластина из диэлектрика заполняющего многомодовый Т-волновод; 10 металлическая прокладка для крепления верхней металлической пластины многомодового Т-волновода; 11 герметизация; 12 металлический штырь, который соединяет конусный согласователь турникетного волноводного сумматора через центрирующее отверстие с верхней металлической пластиной; 13 - гофрированное кольцо крепления антенны, 14 диэлектрические вставки для фиксации краев нижней металлической пластины многомодового Т волновода; 15 - коммутатор; 16 конвертер для приема сигналов телевидения. Узлы 15 и 16 выпускаются рядом фирм и используются в зеркальных телевизионных антеннах. Выходное сечение квадратного волновода турникетного волноводного сумматора выбрано так (16х16 мм), чтобы можно было подключать покупные коммутаторы и конвертеры со стандартным входным круглым волноводом диаметром 18 мм. Фиг. 5 иллюстрирует схему предлагаемого входного устройства, позволяющего принимать одновременно все четыре поляризации принимаемого сигнала (V-вертикальная, Н-горизонтальная, LC-левая круговая, RC-правая круговая). В схему фиг.5 включены два дополнительных (к конвертеру) малошумящих усилителя У₁ и У₂, два выходных сумматора ₂, мостовое устройство М. Функцию входных сумматоров ₁ выполняет волноводный турникетный сумматор (фиг. 4).

На верхней металлической пластине многомодового Т-волновода (фиг. 3) образованы две системы ортогональных нерезонансных прямоугольных щелей с ортогональной (по координатам Х и У) ориентацией их осей. Изменение длины щелей позволяет изменять амплитудное распределение интенсивности напряжений в щелях, что обеспечивает формирование диаграммы направленности с требуемым спадом боковых лепестков.

На фиг. 3 область на верхней металлической пластине многомодового Т-волновода со щелями (сечением АхА) 1, обведенная квадратом, расположена над слоем замедляющего диэлектрика ( = 1,4-2,5). Область 2 без щелей является верхней металлической пластиной рупорно-параболического возбудителя.

В случае приема сигналов телевидения в полотне фиг. 3 используются парные щели с одинаковым шагом по координатам Х и У (d₁ d₂). Для приема и передачи независимо по двум поляризациям шаг , где ₁ и ₂ средние длины волн приема ( ₁ порядка 26 мм) и передачи ( ₂ порядка 21 мм). Расстояние между осями парных щелей , что обеспечивает хорошее согласование такого парного изолированного излучателя (КСВ < 1,05) в линейке излучающего полотна (см. фиг. 6а) в режиме бегущей волны при произвольных значениях длин щелей l_i.

На фиг. 6в представлена теоретическая диаграмма направленности линейки антенны с параметрами l₂ порядка 21 мм, А 500 мм, d₂ 17,7 мм, h 28, = 1,4, l_i 7,6 мм. Линейка шириной d₁ d₂ (боковые стенки в режим холостого хода) возбуждались с двух входов. При этом в центре линейки возникало нулевое электрическое поле (режим стоячей волны) с КВС порядка 14,0 для оконечной пары щелей. По мере приближения к входам линейки величины КСВ постепенно уменьшается до значений около 1,5. Расчет диаграммы проводился методом моментов. Из фиг. 6b следует, что для антенны с идентичными парными излучателями уровень боковых лепестков существенно превышает значения для кривой F() = -29+G-251q. (G 36 дБ) Для приема телевизионных сигналов такая диаграмма направленности является вполне удовлетворительной.

На фиг. 6с представлена диаграмма направленности линейки той же длины (А 500 мм, d₂ 17,7 мм, h 28, e = 1,4) с парными щелями l_i различной длины. Брались значения длин; l₁ l₂ 7,2 мм, l₃ l₄ 7,4 мм, l₅ l₆ 7,5 мм, l₇ l₈ 7,6 мм, l₉ l₁₀ 7,7 мм, l₁₁ l₁₂ 7,8 мм. На второй половине линейки длины парных щелей уменьшались симметрично в обратной последовательности. Из фиг. 6с следует, что уровень боковых лепестков превышает уровень F() незначительно, в основном при больших значениях . Анализ показал, что дальнейшее существенное улучшение диаграммы направленности достигается при увеличении длины раскрыва антенны до А 600 мм и при уменьшении шага d₂ до 13,4 (d/ 0,64), что достигается использованием диэлектрика-замедлителя со значением = 2,5. При увеличении A/ все ближайшие боковые лепестки поджимаются к главному максимуму. Дальние боковые лепестки ( = 30-50) уменьшаются с уменьшением d/. Оба процесса можно усилить, вводя более крутой спад интенсивности излучения через щели в начальной и конечной части раскрыва А.