Рупорний пірамідальний випромінювач електромагнітних нвч хвиль

Реферат: Рупорний пірамідальний випромінювач електромагнітних НВЧ хвиль належить до радіотехніки, зокрема до радіотехнічних систем діапазону надвисоких частот, а також до систем радіолокації, і може застосовуватися в приймально-передавальних антенних трактах систем космічного зв'язку. Випромінювач електромагнітних НВЧ хвиль з малим рівнем зворотного випромінювання з криволінійною формою стінок, у якого змінюються широка і вузька стінки за двома різними законами. На зовнішній стороні кромки розкриву рупорного пірамідального випромінювача (РПВ) хвиль НВЧ діапазону розташована ребриста металева гребінка, ребра якої однакові по висоті h, прямолінійні і паралельні одна одній. Глибина  ребер експоненційно зростає від початку гребінки до значення h і далі експоненційно зменшується до кінця гребінки. При цьому на її поверхні просторові поля зворотного випромінювання трансформуються в поверхневі електромагнітні хвилі (ПЕХ), які поширюються вздовж гребінки, відбувається їх затримування у напрямку поширення електромагнітних хвиль зворотного випромінювання РПВ, перетворення затриманих ПЕХ в просторові хвилі наприкінці гребінки і накладення їх в протифазі з незатриманими хвилями зворотного випромінювання РПВ. Технічним результатом є зменшення сумарного рівня зворотного випромінювання рупорного пірамідального випромінювача з криволінійною формою стінок. UA 102183 C2 (12) UA 102183 C2 UA 102183 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області радіотехніки, зокрема до радіотехнічних систем і пристроїв діапазону надвисоких частот (НВЧ), а також до систем радіолокації, радіопеленгації і може застосовуватися в приймально-передавальних антенних трактах інформаційних систем радіозв'язку. Основними параметрами випромінювачів електромагнітних хвиль НВЧ діапазону, зокрема, є діаграма направленості (ДН) та рівень бічного і зворотного випромінювання. Досягнення високої направленості при малому рівні бічного і зворотного випромінювання, при малих геометричних розмірах антени є важливою задачею в теорії і практиці проектування антен НВЧ. Досягнутий рівень техніки в даній галузі характеризується наступними прикладами. Відомий пристрій, що являє собою випромінювач електромагнітних хвиль НВЧ діапазону, який містить імпедансну структуру у вигляді радіальної металевої гребінки, ребра якої мають різну висоту, запропонований в роботі А.А. Карпенко, Я.И. Лепих "Компенсация фазовой ошибки в излучателях СВЧ-волн с помощью импедансной структуры" // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007.-№2.-С.38-41. За допомогою імпедансної структури розв'язується задача компенсації фазової похибки в Н-секторіальному рупорному випромінювачі, що позитивно впливає на ДН. Це технічне рішення добре працює для Н-секторіального типу рупорних випромінювачів з шириною вузької стінки того ж порядку, що і зона існування поверхневої електромагнітної хвилі (ПЕХ) над імпедансною структурою. Недоліком пристрою є те, що він не зменшує рівень зворотного випромінювання. Відомий пристрій "Рупорный излучатель" // Патент RU № 2012962 (1994) H01Q 13/00. Пристрій являє собою рупорний випромінювач, доповнений насадкою у формі відрізка циліндра із чвертьхвильовими канавками на внутрішній поверхні. Таке технічне рішення призводить до формування ширококутової вісесиметричної форми ДН із великою крутістю скатів. Це досягається тим, що випромінювач доповнюється електрично з'єднаною з ним насадкою імпедансного типу із чвертьхвильовими канавками на стінках, причому насадка виконана у вигляді відрізка циліндра з діаметром випромінюючого разкриву, рівним 2, де  - довжина хвилі, а загальне число канавок не менше восьми. Недоліком пристрою є те, що в ньому не вирішується задача зменшення рівня зворотного випромінювання. Відомий пристрій "Випромінювач електромагнітних хвиль НВЧ діапазону з керованим фазовим фронтом" // Патент на винахід UA № 97300 (5і)МПК (2012) H01Q 13/02. Запропонований випромінювач дозволяє здійснювати керування не тільки формою фазового фронту, але і траєкторією поширення поверхневих електромагнітних хвиль (ПЕХ), що дозволяє зменшити рівень хвиль вищих типів, використовувати ефекти фокусування чи розсіювання та здійснювати інші маніпуляції з ПЕХ для ефективного впливу на формування ДН. Недоліком даного пристрою є те, що його конструкція не призводить до значного зменшення рівня зворотного випромінювання. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним прототипом, є рупорний пірамідальний випромінювач хвиль НВЧ діапазону з криволінійною формою стінок, описаний в роботі Карпенко А.А., Лепих Я.И. "Метод расчета рупорного пирамидального излучателя волн СВЧ с криволинейной образующей" // Радиоэлектроника. Известия высших учебных заведений КПИ. 2008.,-Т.-51.,-№5-6., С.22-33. Досягнення високої направленості при низькому коефіцієнті відбиття реалізовано авторами застосуванням криволінійної форми стінок випромінювача за спеціальними функціями утворюючої. Прототип складається з рупорного пірамідального випромінювача (РПВ), у якого змінюються широка і вузька стінки за двома різними законами, які розраховані за критеріями мінімізації коефіцієнтів відбиття і перетворення основного типу хвилі у вищі гармоніки, що дає високі показники ДН і коефіцієнта корисної дії (ККД). Недоліком прототипу є те, що застосування криволінійної форми стінок не призводить до значного впливу на рівень зворотного випромінювання. Це обумовлено рядом явищ, найбільш значним з котрих є перевипромінювання електромагнітних хвиль струмами, які наводяться в контурі кромки розкриву РПВ. Задачею, на розв'язання якої спрямовано запропонований винахід, є зменшення рівня зворотного випромінювання РПВ з криволінійною формою стінок за допомогою внесення в конструкцію РПВ елемента часової затримки електромагнітних хвиль на основі ребристої імпедансної металевої гребінки. Для розв'язання цієї задачі пропонується випромінювач електромагнітних НВЧ хвиль (ВЕХ) з малим рівнем зворотного випромінювання з криволінійною формою стінок, у якого змінюються широка і вузька стінки за двома різними законами, який відрізняється тим, що на зовнішній стороні кромки розкриву випромінювача хвиль НВЧ діапазону рупорного пірамідального типу розташована ребриста металева гребінка, ребра якої однакові по висоті h, прямолінійні і 1 UA 102183 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 паралельні одна одній, а їх глибина  експоненційно зростає від початку гребінки, досягає значення h і далі експоненційно зменшується до кінця гребінки, вздовж якої поширюються виникаючі при цьому поверхневі електромагнітні хвилі, у результаті чого відбувається їх затримування у напрямку поширення електромагнітних хвиль зворотного випромінювання і накладання їх в протифазі з останніми, що призводить до суттєвого зменшення сумарного рівня зворотного випромінювання ВЕХ у дальній зоні. Запропонований пристрій зображений на фіг. 1, де 1 - випромінювач хвиль НВЧ діапазону з криволінійною формою стінок; 2 - затримуючий елемент ребристої металевої гребінки. Зменшення рівня зворотного випромінювання РПВ з криволінійною формою стінок реалізується внесенням в його конструкцію затримуючого елемента 2, конструкція якого має вигляд ребристої металевої гребінки. Електромагнітні хвилі, що випромінюються від першого ребра гребінки у зворотному напрямку, збуджують на затримуючому елементі поверхневі електромагнітні хвилі, які поширюються в її поверхневому шарі зі швидкістю меншою, ніж у вільному просторі. На останньому ребрі затримуючого елемента затриманні у часі ПЕХ знову трансформуються у просторові електромагнітні хвилі, фаза яких відрізняється від фази зворотних електромагнітних хвиль РПВ на 180°. Таким чином, у зворотному напрямку відбувається накладення двох хвиль у протифазі, що призводить до суттєвого зменшення сумарного рівня зворотного випромінювання ВЕХ у цілому. У прямому напрямі випромінювання РПВ відбувається накладення двох просторових хвиль в фазі, що призводить до зростання рівня прямого випромінювання і підвищує коефіцієнт корисної дії ВЕХ. Для розв'язання даної задачі були використані електродинамічні методи розрахунку уповільнюючих систем. Виготовлено і випробувано макетний зразок запропонованого ВЕХ з наступними параметрами: - мінімальна довжина хвилі робочого діапазону min=24 мм; максимальна довжина хвилі робочого діапазону max=36 мм; довжина горизонтального ребра розкриву апертури ВЕХ Ар= 100 мм; конструктивна висота ребер h=3 мм; товщина ребра d=0,5 мм; відстань між ребрами t=5 мм; оптимальна довжина гребінки Lопт=210 мм; глибина канавок металевої гребінки  змінюється по експоненційному закону. У полярній системі координат побудовані нормовані ДН макетного зразка РПВ (суцільна лінія) та прототипу (пунктирна лінія) (фіг. 2). Аналіз побудованих ДН дозволяє зробити наступні висновки: 1. Рівень задньої пелюстки ДН макетного зразка ВЕХ значно менший, ніж у прототипу; 2. При куті спостереження =90° відносно максимуму випромінювання ВЕХ у запропонованого ВЕХ напруженість електромагнітного поля зменшується, а у прототипу, навпаки, у даній точці спостерігається зростання електромагнітного поля. Теоретичні розрахунки та експериментальні дослідження зразка ВЕХ підтверджують ефективність запропонованого рішення. Впровадження пропонованого пристрою планується на підприємствах радіотехнічного профілю. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 Рупорний пірамідальний випромінювач електромагнітних НВЧ хвиль з малим рівнем зворотного випромінювання з криволінійною формою стінок, у якого змінюються широка і вузька стінки за двома різними законами, який відрізняється тим, що на зовнішній стороні кромки розкриву випромінювача розташована ребриста металева гребінка, ребра якої однакові по висоті h, прямолінійні і паралельні одна одній, а їх глибина  експоненційно зростає від початку гребінки до значення h і далі експоненційно зменшується до кінця гребінки, вздовж якої поширюються виникаючі при цьому поверхневі електромагнітні хвилі та відбувається їх затримування у напрямку поширення електромагнітних хвиль зворотного випромінювання і накладання їх в протифазі з останніми. 2 UA 102183 C2 3 UA 102183 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4