Опромінювач дзеркальної антени

1 Опромінювач дзеркальної антени, що містить круглий живильний хвилевід, плоский диск, конічний розсіювач, який відрізняється тим, що на протилежній від випромінювального розкриву круглого живильного хвилеводу площині плоского диска встановлене принаймні одне кільце з двома бортиками в напрямку до хвилеводу 2 Опромінювач за п 1, який відрізняється тим, що плоский диск діаметром 2,ЬХ, де X - довжина хвилі, встановлений на відстані 0.85Я, від випромінювального розкриву круглого хвилеводу, а діаметр основи конічного розсіювача і його висота обрані рівними ВІДПОВІДНО 0,92 ф і 0,8 ф, де ф - діа метр круглого живильного хвилеводу 3 Опромінювач за пп 1, 2, який відрізняється тим, що ближній до подовжньої осі опромінювача бортик гальванічне з'єднаний з плоским диском і віддалений від кромки плоского диска на відстань, рівну XI А, а дальній від подовжньої осі опромінювача бортик, висота hi якого більша висоти ближнього бортика гі2, віддалений від кромки диска на Д п« X, де Д h -величина зазору О Винахід відноситься до галузі антенної техніки і може бути використаний як опромінювач дзеркальних антен радіорелейних, тропосферних та супутникових станцій, а також як опромінювач малогабаритних дзеркальних антен абонентських комплексів, наприклад, системи «МІТРІС» Відомо багато різноманітних конструкцій опромінювачів дзеркальних антен, що містять живильний круглий хвилевід і плоский диск, установлений перед його випромінюючим розкривом (1), заявка Великобританії 1531242, кл HO1Q 19/00, 1978 р , тощо Основною перевагою таких опромінюючих систем є простота їх конструкції, а отже і мінімальні витрати на їх виготовлення Недоліком таких опромінюючих систем є поперше, велика реакція видбиваючого диска на опромінюючий розкрив круглого хвилеводу, що частково можна компенсувати шляхом віддалення диска від розкриву, але при цьому необхідно збільшувати діаметр самого відбиваючого диска, що призводить до збільшення затінення основного дзеркала, і як наслідок, до зменшення коефіцієнта корисної дії антени, спотворення характеристики спрямованості випромінюваного поля, а отже до спотворення розподілу поля на розкрив основного дзеркала По-друге, крайові ефекти НВЧ струмів на плоскому відбиваючому дискові, а також затікання їх на «тіньову» частину диска призводять до додаткового спотворення поля на розкриві основного дзеркала Зазначені недоліки опромінювача у вигляді відкритого кінця круглого хвилеводу з плоским диском істотно знижують ефективність дзеркальної антени в цілому Найбільш близьким по технічній суті до запропонованого технічного рішення є опромінювач дзеркальної антени НВЧ [2] Опромінювач містить круглий живильний хвилевід і плоский" круглий диск, встановлений перед його випромінюючим розкривом Для усунення реакції плоского диска на випромінюючий розкрив в центрі диска встановлений конічний розсіювач При цьому введення конічного розсіювача усуває не тільки реакцію диска на випромінюючий розкрив круглого хвилеводу, але і змінює характеристику спрямованості опромінювача, а отже і розподіл поля на розкриві дзеркальної антени Діаметр плоского диска в прототипі [2] складає АХ, де X - довжина хвилі, і встановлений він на відстані 2,ЬХ від випромінюючого розкриву круглого хвилеводу, тобто, практич (О ю 51764 но, у дальній зоні При такому віддаленні конічний розсіювач тільки частково усуває реакцію плоского диска на випромінючий розкрив, а в більшому ступені впливає на формування характеристики спрямованості опромінювача в цілому Крім того, віддалення плоского диска від випромінюючого розкриву, із метою зменшення його реакції, потребує збільшення його діаметра, що випливає з принципу роботи подібних опромінюючих антен Це у свою чергу призводить до затінення площі основного дзеркала, і, отже, до порушення розподілу поля на його випромінюючій апертурі Так, наприклад, якщо діаметр основного дзеркала буде дорівнювати 10Я,, то при рекомендованих розмірах опромінювана [2] затінення складе біля 16% площі випромінюваної апертури, а це призводить не тільки до падіння коефіцієнта підсилення і розширення діаграми спрямованості випромінюваного поля, але і до зросту бічного і заднього випромінювання Ці недоліки є особливо актуальними, коли мова йде про приймальні антени, до яких встановлюються жорсткі вимоги за масогабаритними характеристиками, як, наприклад, приймальна дзеркальна малогабаритна антена системи «МІТРІС» Другим істотним недоліком подібних опромінювачів дзеркальних антен є крайовий ефект НВЧструмів на кромці плоского диска та їх затікання на неосвітлену поверхню Ці негативні явища в остаточному підсумку призводять до додаткового спотворення розподілу поля на апертурі основного випромінюючого дзеркала, а отже, до зниження ефективності антени в цілому В основу винаходу поставлено задачу створення конструкції опромінювача дзеркальної антени, що дозволяє усунути реакцію плоского круглого диска на випромінюючий розкрив круглого живильного хвилеводу і створення оптимального розподілу поля на розкриві дзеркала, а також усунення крайових ефектів НВЧ струмів на плоскому круглому дискові і 1 забезпечення необхідної ширини діаграми спрямованості опромінювача Зазначена задача досягається тим, що в опромінювачі дзеркальної антени, що містить круглий живильний хвилевід, плоский диск та конічний розсіювач, згідно з винаходом, на протилежній від випромінюючого розкриву круглого живильного хвилеводу площині плоского диску встановлене принаймні одне кільце з двома бортиками Плоский диск діаметром 2.5Я,, де X - довжина хвилі, встановлений на відстані 0.85Я, від випромінюючого розкриву круглого хвилеводу, а діаметр основи конічного розсіювача і його висоти обрані рівними ВІДПОВІДНО 0,92ср і 0,8ср , де е - діаметр р круглого живильного хвилеводу Ближній ДО подовжньої осі опромінювача бортик електричко сполучений із плоским диском і віддалений від кромки плоского диска на відстань, рівну XI А, а дальній від подовжньої осі опромінювача бортик, висота якого hi більша висоти ближнього бортика , віддалений від кромки диска на Ah « А, де Дп - величина зазору До відрізняючих ознак запропонованого технічного рішення відноситься те, що на протилежній від випромінюючого розкриву круглого живильного хвилеводу площині плоского диску встановлене принаймні одне кільце з двома бортиками, причому ближній до подовжньої осі опромінювача бортик електричко сполучений із плоским диском і віддалений від кромки плоского диска на відстань, рівну А/4, а дальній від подовжньої осі опромінювача бортик, висота якого більша висоти ближнього бортика, віддалений від кромки диска на Дп « А, де Д h - величина зазору, запропонована конструкція являє собою короткозамкнуту радіальну ЛІНІЮ на кромці плоского диску, плоский диск діаметром 2,5 А, де А - довжина хвилі, встановлений на відстані 0,85 А від випромінюючого розкриву круглого хвилеводу, а діаметр основи конічного розсіювача і його висоти обрані рівними ВІДПОВІДНО 0,92ср і 0,8ср , де ф - діаметр круглого живильного хвилеводу Сукупний ефект вищенаведених ознак виявляється за рахунок того, що плоский диск із малими розмірами в порівнянні з величиною основного дзеркала встановлено в проміжній (по формуванню поля) зоні від первинного випромінювача, за рахунок розмірів конічного розсіювача усунута реакція плоского диска на випромінюючий розкрив, наявна можливість формування ширини діаграми спрямованості опромінювача (коефіцієнта підсилення опромінювача, що дозволяє підвищити коефіцієнт його корисної дії), наявність короткозамкнутої радіальної лінії по колі плоского диска у вигляді кільця з двома бортиками виключає виникнення крайових ефектів і затікання НВЧ-струмів, а також зменшує рівні бічного та заднього випромінювання, тобто поліпшує характеристики спрямованості опромінювача, що в сумі значно підвищує ефективність дзеркальної антени з запропонованим опромінювачем у цілому на Суть винаходу пояснюється кресленнями, де фіг 1 ілюстровано загальний вид запропонованого опромінювача дзеркальної антени з елементами компенсації крайових ефектів і забезпечення необхідної ширини діаграми спрямованості опромінювача, фіг 2 наведена залежність коефіцієнту стоячої хвилі за напругою на вході круглого живильного хвилеводу від розміру основи конічного розсіювача, фіг 3 показана залежність коефіцієнту стоячої хвилі за напругою на вході круглого живильного хвилеводу від висоти конічного розсіювача Запропонований опромінювач дзеркальної антени наведений на фіг 1 Опромінювач містить круглий живильний хвилевід 1, діаметром ер, плоский диск 2 діаметром 2,5 А, де А - довжина хвилі, із конічним розсіювачем 3, встановленим перед випромінюючим розкривом круглого хвилеводу 1 на відстані а = 0.85А Конічний розсіювач 3 із діаметром основи b = 0,92ср висотою h = 0,8 е установр лений по подовжній осі опромінювача На плоскому дискові 2 на протилежній від випромінючого розкриву стороні встановлене по окружності кільце 4 із двома бортиками 5 і 6 Віддзеркалена від плоского диска 2 електромагнітна енергія спрямована в бік основного (більшого) дзеркала 7 Ближній до подовжньої осі опромінювача бортик 5 електрично сполучений із плоским диском 2 і віддалений від його кромки на відстань, рівну А/4, а дальній від 51764 подовжньої осі опромінювача бортик 6, висота якого hi більша висоти ближнього бортика 5, віддалений від кромки диска на відстань Ah « Л, де Дп - величина зазору між кромкою плоского диска 2 і бортиком 6 Таким чином, кільце 4 з двома бортиками 5 і 6 та поверхня плоского диска 2 утворюють чвертьхвильовий відрізок радіальної лінії, вхідний опір якого дорівнює нескінченності Наявність короткозамкнутої лінії по колі на кромці плоского диска виключає затікання струмів на неопромінювану його поверхню, а також крайові ефекти на його кромці ЗОВНІШНІЙ бортик 6 кільця 4 виконує подвійну функцію по-перше, сприяє зменшенню крайових ефектів НВЧ-струмів на кромці плоского диска 2, якщо його висота hi « h, по-друге, із збільшенням висоти зовнішнього бортика 6 спостерігається спочатку вирівнювання по ширині характеристики спрямованості опромінюючої системи (відкритий кінець хвилеводу - плоский диск) у двох ортогональних площинах, а потім її звуження Ця позитивна якість істотно розширює функціональні можливості опромінювача дзеркальної антени поперше, розширює ряд основних дзеркал за критерієм f/D, де f - фокусна відстань, D - діаметр дзеркала, по-друге, надається можливість регулювання коефіцієнта підсилення (ширини діаграми спрямованості) дзеркальної антени Це особливо важливо на етапі експлуатаційної наладки На фіг 2 та 3 наведені експериментальні графіки залежності коефіцієнта стоячої хвилі за напругою (КСВН) на вході круглого живильного хвилеводу 1 від геометричних розмірів конічного розсіювача 3, що наочно демонструють діапазонні властивості опромінювача дзеркальної антени по вхідному опорі Практично було встановлено, що максимальна смуга робочих частот за рівнем КСВН < 1,25 утворюється при таких геометричних розмірах конічного розсіювача b = 0,92ср і h = 0,8ср , де b - діаметр основи, h - висота конуса, е р діаметр живильного хвилеводу 1 Опромінювач дзеркальної антени працює наступним чином Поле опромінювання, що формується відкритим кінцем живильного хвилеводу 1, є спрямованим в бік плоского круглого диска 2, що виконує функцію контррефлектора Віддзеркалена від плоского круглого диска 2 електромагнітна енергія спрямована в бік основного (більшого) дзеркала 7, а також вздовж подовжньої осі в напрямку круглого живильного хвилеводу 1 Наявність відображеної хвилі в живильному хвилеводі 1 оцінюється коефіцієнтом відображення Для виключення появи відображеної хвилі в живильному хвилеводі 1 плоский диск 2 споряджено конічним розсіювачем 3, розміри якого визначають величину коефіцієнта відображення В антенній техніці це явище має назву "реакції дзеркала на опромінювач" Наявність за межами плоского круглого диска 2 чвертьхвильової короткозамкнутої лінії дозволяє виключити вплив крайових ефектів НВЧ-струмів на діаграму спрямованості опромінювача в цілому Первинне джерело електромагнітної енергії через відкритий кінець круглого хвилеводу випромінює її в напрямку плоского диску і наводить на його по верхню струми НВЧ, що є джерелом формування відображеної хвилі Кінцевий розмір плоского диску 2 створює суттєвий вплив на формування характеристики спрямованості відображеної хвилі, включно і на її ширину, а також на рівень бічного та заднього випромінювання (крайові ефекти, затікання струмів на неосвітлену поверхню) Короткозамкнута чвертьхвильова ЛІНІЯ на кромці плоского диску 2 являє для струмів НВЧ нескінченний опір, і це виключає появу крайових ефектів Змінюючи висоту hi периферійного (дальнього від подовжньої осі) бортика 6 кільця 4 можна регулювати ширину діаграми спрямованості опромінювача, що таким чином розширює функціональні можливості його практичного застосування Наприклад, поперше, дзеркальна антена з запропонованим опромінювачем має можливість регулювання ширини її діаграми спрямованості (коефіцієнта підсилення) за рахунок зміни висоти hi дальнього бортика 6, що особливо важливо на етапі настроювання, по-друге, розширює функціональні можливості дзеркал Конструктивне виконання опромінювача дзеркальної антени дозволяє одержати новий позитивний ефект (технічний результат), як-от усунути реакцію плоского круглого диска на випромінюючий розкрив круглого живильного хвилеводу і створити таким чином оптимальний розподіл поля на розкриві дзеркала, а також усунути крайовий ефект НВЧ струмів на плоскому круглому дискові та забезпечити необхідну ширину діаграми спрямованості опромінювача, отже вирішити поставлену задачу У порівнянні з прототипом запропоноване технічне рішення має такі техніко-економічні переваги по-перше поліпшуються як внутрішні (розширення діапазону робочих частот по вхідному опорі), так і ЗОВНІШНІ (коефіцієнт підсилення, рівні бічного та заднього випромінювання), по-друге розширюються функціональні можливості дзеркальних антен із запропонованою конструкцією опромінювача, особливо приймальних дзеркальних антен, для яких найважливішим параметром є їхня шумова добротність Цей параметр є критерієм ефективності приймальних антен НВЧдіапазону, і він є нерозривно зв'язаний із розподілом поля на розкриві апертури випромінюючої дзеркальної антени Запропонована конструкція опромінювача дозволяє в першу чергу збільшити коефіцієнт підсилення дзеркальної антени, зменшити и шумову температуру, а отже, збільшити її шумову добротність, тобто підвищити її ефективність у цілому Література 1 Журавлев Ю К Антенны - ч 2 - Л - ВКАС, 1963,-стр 174 2 Журнал ТИИЭР - Т 65, № 10, 1977, - ст «Высокоэффективные зеркальные антенны СВЧ» 3 Айзенберг Г 3 и др Антенны УКВ ч І - М Связь, 1976, - с т р 349 51764 V—J іг. 1 51764 10 КСБН! 9,0 9,5 10,0 10,5 1 КО КСБН 1.30 1,40 Я. 5 9.0 9,5 ]0.0 10,5 П.О 11.5 12.0 11 51764 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 12