Вібраторна антенна решітка з кутиковим рефлектором

МІШ HOI Q 21/06 Вібраторна антенна решітка з кутиковим рефлектором Винахід належить до області антенної техніки і може бути використаний для випромінення або прийому радіохвиль мікрохвильового діапазону в радіотехнічних системах різного призначення. Відома антена у вигляді симетричного дротяного вібратора. Аналог містить симетричний вібратора з двох дротяних плечей однакової довжини і двопровідну фідерну лінію [1]. Недоліком аналогу є те, що він не володіє спрямуванням у площині, перпендикулярній вібратору, і має низький коефіцієнт підсилення. Відома також вібраторна антена типу «хвильовий канал». Аналог містить активний симетричний вібратор, позаду якого розміщений вібраторрефлектор, а спереду - декілька пасивних вібраторів- директорів [1]. Недоліком аналогу є те, що він має низький коефіцієнт підсилення і порівняно високий рівень заднього і бокового випромінювання. Прототипом вибрана кутикова антена з опромінювачем у вигляді лінійної решітки з чотирьох симетричних вібраторів. Прототип містить такі основні елементи: кутиковий рефлектор, виготовлений з двох плоских металевих пластин, що утворюють деякий кут трозмш ; опромінювач у вигляді лінійної решітки симетричних вертикальних напівхвильових вібраторів, паралельних ребру рефлектора і розташованих у площині бісектриси кута розпил Я рефлектора; фідерна лінія, пов'язана з вібраторами опромінювача антени. Далі будемо використовувати частковий варіант прототипу, в якому кут розладу кутикового рефлектора дорівнює 90°, а лінійка опромінювача віддалена від ребра рефлектора на півхвилю Х/2. Така антена випромінює вздовж осі, направленої по бісектрисі кута роз хшх рефлектора. Відбиті від кутикового рефлектора радіохвилі г складаються у фазі з прямою хвилею вібраторного опромінювача в напрямі осі антени при зазначеній відстані від вібраторів до ребра рефлектора. Крім того, рефлектор екранує випромінення вібраторів у задню напівсферу і покращує направлені властивості вібраторного опромінювача [2]. Недоліком прототипу є те, що така антена має слабке спрямування випромінювання в горизонтальній площині і низький коефіцієнт підсилення. Інший недолік прототипу полягає в тому, що фідерна лінія, що підводить енергію до вібраторів опромінювача, погіршує направлені властивості системи опромінювач - рефлектор. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення вібраторної антенної решітки з кутиковим рефлектором, в якій на основі виконання антенної решітки з декількох ідентичних лінійок вібраторів і виконання вібраторів з чвертьхвильових відрізків екрануючих оболонок двопровідних фідерних ліній забезпечується усунення шкідливого впливу фідерних ліній на випромінення антени, зменшення ширини діаграми спрямування антени і за рахунок цього збільшується коефіцієнт підсилення антени. Поставлена задача вирішується тим, що у вібраторній антенній решітці з кутиковим рефлектором, що містить кутиковий рефлектор з двох плоских металевих пластин з кутом розладу 90°, лінійку симетричних вертикальних напівхвильових вібраторів, паралельних ребру рефлектора, і фідерні лінії, згідно з винаходом фідерні лінії виконані у вигляді двопровідних екранованих ліній з повітряним діелектриком, антенна решітка виконана з декількох ідентичних вертикальних лінійок, віддалених одна від одної на довжину хвилі вздовж бісектриси кута розкриву рефлектора, а симетричні вертикальні вібратори в кожній лінійці виконані з чвертьхвильових відрізків екрануючої оболонки двопровідних фідерних ліній, проводи яких пов'язані з цими відрізками через кожні півхвилі в протилежній полярності. ъ При цьом у чвертьхвильові відрізки екрануючи х оболонок двопровідних фідерних ліній утворюють синфазні симетричні напівхвильові вібратори, які використовують для опромінення лівої і правої граней рефлектора і поліпшення спрямування антени. Технічна сутність і принцип дії запропонованого пристрою пояснюються фиг.1,2а,б. На фіг. 1 дається ескіз запропонованої антени. На фиг.2а,б подані розрахункові діаграми спрямування запропонованої антени і прототипу в горизонтальній і вертикальній площинах. До складу запропонованої антени на фіг. 1 входять такі основні елементи: кутиковий металевий рефлектор 1 з двох плоских металевих пластин з кутом роз.ки/іч 90°; перша 2 і друга 3 і т. д. лінійки вертикальних вібраторів опромінювача антени (ці лінійки паралельні ребру рефлектора, розміщені в площині бісектриси кута розкриву рефлектора, перша лінійка віддалена від ребра на АУ2, а наступні віддалені один від одного на А,); двопровідні екрановані фідерні лінії 4 з повітряним діелектриком; екрануюча металева оболонка двопровідних фідерних ліній 5; чвертьхвильові відрізки 6 екрануючої оболонки двопровідних фідерних ліній (ці відрізки пов'язані з проводами лінії через кожні півхвилі в протилежній полярності і утворять синфазні напівхвильові симетричні вібратори в кожній лінійці опромінювача антени по два відрізки в кожному вібраторі). Усі лінійки опромінювача заживлюються синфазно. Зв'язок відрізків екрануючої оболонки з проводами двопровідної лінії здійснений металевими перемичками, розташованими всередині екрануючої оболонки. Нижче пояснюється принцип дії запропонованої антени і обґрунтовуються її істотні характерні ознаки. Для поліпшення направлених властивостей антени її опромішовач виконаний з декількох лінійок напівхвильових вібраторів, а для послаблення шкідливого впливу, що заважає випромінення фідерних ліній на характеристики антени ці лінії виконані у вигляді двопровідних екранованих ліній, екрануючі оболонки яких розрізані на чвертьхвильові відрізки і утворять синфазні вібратори в кожній лінійці опромінювача. Вібраторні лінійки паралельні ребру кутикового рефлектора заживлюються синфазно і рознесені вздовж бісектриси кута розх^у на довжину хвилі. Відомо, що така система синфазних вібраторів випромінює вздовж осі антени, яка співпадає з бісектрисою кута розх^^у кутикового рефлектора, а спрямування системи зростає із збільшенням кількості лінійок М і кількості симетричних вібраторів в кожної лінійці N. Синфазне заживления всіх вібраторів в усіх лінійках забезпечується завдяки тому, що фідерні лінії виконані з повітряним діелектриком і швидкість розповсюдження радіохвиль в лінії дорівнює швидкості світла. Для цього необхідно, щоб відстань по висоті між сусідніми симетричними вібраторами в кожної лінійці дорівнювала А/2, а зв'язок цих вібраторів з проводами лінії здійснювався в протилежній полярності за допомогою відповідних металевих перемичок як показано на фіг. 1 Синфазні лінійки опромінювача антени випромінюють також у напрямі ребра кутикового рефлектора протилежно осі антени. Ці радіохвилі двічі відбиваються від лівої і правої граней рефлектора поблизу його ребра і складаються у фазі з прямими радіохвилями всіх лінійок у напрямі осі антени, бо відстань від першої лінійки до ребра рефлектора дорівнює Х/2. Це сприяє поліпшенню спрямування антени вздовж її осі. Радіохвилі лінійок, однократно відбиті від лівої або правої граней рефлектора, також складаються у фазі з прямими радіохвилями кожної лінійки в напрямі осі антени, бо відстань між сусідніми лінійками дорівнює X і всі лінійки заживлюються синфазно, що також сприяє поліпшенню спрямування випромінення антени вздовж її осі. Для підтвердження переваг запропонованого пристрою у порівнянні з прототипом нижче приводяться приклади розрахунків діаграм спрямування запропонованої антени і прототипу. Нормовані діаграми спрямування запропонованої антени в горизонтальній і вертикальній площинах у секторі кута розладу рефлектора визначаються наступними співвідношеннями sm(2Mn sinp) sin p) sin(2M;r - cos/?) sm{rt • cos P) ПР) у горизонтальній площині і sin cos# 4MN 2 (i) sin# 2 M - sin(2M7T-cos#) ) (2) sini — sin^ 2 у вертикальній площині, де р - азимутальний кут, що відлічується від осі антени; 0 - кут місця; М - кількість лінійок опромінювана; N - кількість симетричних вібраторів у кожній лінійці. Співвідношення (1), (2) отримані за методом дзеркальних зображень, виходячи з геометрії запропонованої антени на фіг. 1. Приклади розра хункі в нормовани х діа грам спрям ування запропонованої антени за співвідношенням (1), (2) і прототипу подається на фіг.2а (в горизонтальній площині) і на фіг.2б (у вертикальній площині). Розрахунки проводилися для випадк у, коли опромінювач запропонованої антени містив 4 лінійки М=4 по чотири симетричних вібратори N=4 в кожній лінійці, а опромінювач прототипу містив лінійку з чотирьох вібраторів. Розрахунки підтверджують переваги запропонованої антени у порівнянні з прототипом при однакових розмірах кутикового рефлектора. Відзначені вище характерні ознаки, які визначають конструкцію запропонованої антени, принципово необхідні для створення синфазного розподілу струму в усіх вібраторах опромінювача і забезпечення синфазного додавання прямих і відбитих від рефлектора радіохвиль в напрямі осі антени, що збільшує коефіцієнт підсилення антени. Таким чином, запропонований пристрій вирішує поставлене завдання, усуває відзначені недоліки прототипу і може бути практично реалізоване, а відзначені вище характерні ознаки є істотними і принципово необхідні для реалізації пристрою. Основні елементи запропонованої антенної решітки на фіг. 1 виконані таким чином. Кутиковий рефлектор 1 виконаний з двох плоских металевих пластин з кутом розха/ГЧ 90° і не відрізняється від кутикового рефлектора прототипу. Фідерна лінія 4 виконана у вигляді двопровідної екранованої лінії з повітряним діелектриком і металевою екрануючою оболонкою. Для кріплення проводів цієї лінії всередині екрануючої оболонки можна використати короткі діелектричні шайби з діелектрика з низькою діелектричною проникністю і малими втратами. Екрануюча оболонка двопровідни х ліній у кожній лінійці опромінювача антени розрізана на відрізки довжиною Х/4 з вузькими щілинами між сусідніми відрізками. Ці відрізки 6 пов'язані з проводами фідерної лінії металевими перемичками через кожні півхвилі в протилежній полярності по два відрізки в кожному симетричному вібраторі кожної лінійки, що забезпечує синфазне заживления всіх вібраторів опромінювача. Усі лінійки опромінювача віддалені один від одного на довжину хвилі X і заживлюються синфазно від загальної фідерної лінії. Відстань першої лінійки від ребра кутикового рефлектора дорівнює Х/2. Динаміка роботи запропонованої антени здійснюється таким чином. Двопровідна фідерна лінія 4 підводить струм високої частоти мікрохвільового діапазону від передавача до всіх лінійок опромінювача і до всіх вібраторів кожної лінійки. При цьому всі лінійки і всі вібратори з чвертьхвильових відрізків екрануючої оболонки лінії в кожній лінійці заживлюються синфазно. Вібраторна антенна решітка з кутиковим рефлектором Кут иковиЙ рефлектор 1 Друга лінійка вібраторів З Х/4 Х/4 Х/4 Відрізки екрануючої оболонки двопровідної лінії 6 Х/4 1/2 Х/4 Х/4 Х/4 Перша лінійка вібраторів 2 Х/4 Екрануюча оболонка двопровідної лінії 5 Фіг.1 \\ Двопровідна \ фідерягіа лінія 4 Автори: А.М.Кудрик С.М.Порошин В. Б. Бахвалов Вібраторна антенна решітка з кутиковим рефлектором а)Діаграма направленості у горизонтальної площині trace 1 trace 2 Азимутальний кут (З, град. б) Діаграма направленості у вертикальної площині 1 09 08 07 И(9) °6 F4(9) 05 ----- 04 03 02 01 0 10 3 ___________ 1 20 180 trace 1 ----- trace 2 Кут місця в, град. 2-антена-прототип 1-запропонована антена Фіг. 2 Автори: A.M.Кудрик С.М.Порошин В.Б.Бахвалов Вібратори всіх лінійок опромінювана антени випромінюють радіохвилі, які також відбиваються від граней кутикового рефлектора 1. При цьому поля прямих і відбитих від рефлектора радіохвиль для всіх вібраторів складаються синфазно в напрямі осі антени. Таким чином, запропонований пристрій вирішує поставлене завдання, усуває відзначені недоліки прототипу і забезпечує збільшення коефіцієнта підсилення антенної решітки, а також усуває випромінення фідерної лінії, яке заважає, за рахунок використання екрануючої оболонки цієї лінії для побудови випромінювальних елементів антени. Джерела інформації 1. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов связи. -М.: Связь, 1977, с. 194, рис. 11.1. 2. Айзенберг Г.З. Антенны ультракоротких волн. - М.: Связьиздат, 1957, с.522, рис.2.1.ХХ, (прототип).