ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ВОЛНОВОДНО-РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ВОЛНОВОДНО-РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ 


RU (11) 2237954 (13) C1

(51) 7 H01Q13/02 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.01.2008 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2003102966/09 
(22) Дата подачи заявки: 2003.01.31 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.01.31 
(45) Опубликовано: 2004.10.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2019008 C1, 30.08.1994. RU 2118020 C1, 20.08.1998. RU 2052876 C1, 20.01.1996. US 4021814 A, 03.05.1977. US 4122446 A, 24.10.1978. EP 1267445 A1, 18.12.2002. DE 2137125 A, 20.12.1979. 
(72) Автор(ы): Джиоев А.Л. (RU); Тихов Ю.И. (RU); Понкратов А.И. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (RU) 
Адрес для переписки: 344038, г.Ростов-на-Дону, ул. Нансена, 130, ФГУП "РНИИРС" 

(54) ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ВОЛНОВОДНО-РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ 
Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к антенной технике, и может быть использовано в составе антенных решёток или зеркальных антенн, а также в виде самостоятельной антенны. Техническим результатом является увеличение широкополосности, использование коаксиального ввода питающей линии и уменьшение диссипативных потерь в верхней части сантиметрового диапазона длин волн. Широкополосный волноводно-рупорный излучатель содержит отрезок волновода, в Е-плоскости которого, посередине, размещены два продольных металлических гребня с изменяющимся зазором между их обращёнными друг к другу кромками, короткозамыкатель волновода с размещённым на нём соосным волноводу вводом питающей линии, возбудитель излучателя и трансформатор волновых сопротивлений, при этом возбудитель выполнен в виде прямолинейного цилиндрического проводника, являющегося продолжением центрального проводника упомянутого ввода, а сам ввод выполнен коаксиальным. Возбудитель подключён с гальваническим контактом к торцу одного из гребней, отстоящему, для размещения преобразователя типов волн, на некоторое расстояние от короткозамыкателя, имеющего форму уступа. Торец другого гребня непосредственно соединён с короткозамыкателем, причём оба гребня выполнены без использования диэлектрика и их кромки со стороны коаксиального ввода имеют ряд ступеней, образующих трансформатор волновых сопротивлений. Первая, ближайшая к вводу ступень этого трансформатора, является частью упомянутого преобразователя типов волн, а последняя примыкает к регулярному Н-образному волноводу, переходящему в волновод с плавно увеличивающимся в сторону раскрыва зазором между кромками гребней. При этом преобразователь типов волн состоит из двух последовательных отрезков линии передачи, первый из которых, ближайший к коаксиальному вводу, является отрезком коаксиальной линии с прямоугольным внешним проводником, а второй - отрезком коаксиальной линии с П-образным внешним проводником, центральным проводником которых является упомянутый возбудитель. 4 ил., 2 табл.





ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к антенной технике, и может быть использовано в составе антенных решеток или зеркальных антенн, а также в виде самостоятельной антенны.

Для приема (излучения) электромагнитных волн в диапазоне СВЧ в ряде случаев требуются широкополосные малогабаритные волноводно-рупорные излучатели, возбуждаемые коаксиальной линией передачи. Такие излучатели могут строиться на основе зондовых возбуждающих устройств в прямоугольном волноводе, описанных в литературе [1]. Наиболее широкополосное из этих устройств [1, рис. 6.5] выполняется в виде зонда пуговичного типа, когда центральный проводник коаксиальной линии, ортогональный широкой стенке питающего волновода, оканчивается утолщением определенных размеров и формы. Однако, даже при использовании дополнительных реактивных согласующих элементов, рабочая полоса частот такого возбуждающего устройства достигает всего 20% [1, с. 159], что ограничивает полосу излучателя. Кроме того, ортогональный ввод увеличивает поперечные размеры излучателя в Е-плоскости.

Значительно более широкополосным является рупорный излучатель [2] на основе Н-образного круглого волновода и возбуждающего устройства с коаксиальным вводом. Продолжение центрального проводника коаксиальной линии (зонд) ортогонально продольной оси излучателя. Из-за применения ортогонального ввода излучатель [2] также имеет увеличенные поперечные размеры.

Для уменьшения поперечных размеров волноводно-рупорного излучателя необходимо использовать питающую линию с соосным вводом. Такое устройство может строиться на основе перехода [3], содержащего штырь Г-образной формы, который является продолжением центрального проводника коаксиальной линии. Штырь подключен к металлической перегородке, разделяющей полости прямоугольного волновода и уступа. Однако такой переход, как указано в [3], имеет полосу пропускания всего 5%.

Наиболее близким к заявляемому излучателю по технической сущности и достигнутому эффекту является волноводно-рупорный излучатель [4], принятый за прототип. Этот излучатель возбуждается соосным полосковым вводом, для чего внутри излучателя, перпендикулярно широким стенкам волновода, в его средней части установлена диэлектрическая пластина с металлизацией, образующей с одной стороны упомянутой пластины возбудитель в виде изогнутого проводника, а с другой стороны - продольные гребни с зазором между ними. Этот зазор между гребнями перекрывает (в проекции) упомянутый изгиб возбудителя. При этом гальванический контакт между гребнями и возбудителем отсутствует. Поле между гребнями возбуждается изгибом, который в этом месте ориентирован ортогонально продольной оси излучателя.

Трансформатор волновых сопротивлений излучателя [4] содержит комбинацию параллельного и последовательного (относительно нагрузки) шлейфов. Параллельный шлейф является короткозамкнутым, он образован отрезком волновода длиной в/4 между изгибом возбудителя и короткозамыкающей волновод плоской пластиной, а последовательный шлейф является разомкнутым, он образован отрезком полосковой линии длиной п/4 между изгибом и концом возбудителя. Такая комбинация шлейфов обеспечивает широкополосное согласование реактивностей, а постоянство активной составляющей входного сопротивления обеспечивается подбором размеров полоска и гребней. При этом полоса частот может составлять около октавы. Работоспособность излучателя [4] проверена на частотах вблизи 5,5 ГГц. Недостатками прототипа [4] являются:

- недостаточная (в ряде случаев) широкополосность, что обусловлено использованием гребней малой толщины, равной толщине металлизации;

- отсутствие коаксиального ввода питающей линии;

- увеличенные диссипативные потери при работе в верхней части сантиметрового диапазона, а тем более в милиметровом диапазоне (на частотах выше 10 ГГц), обусловленные присутствием внутри излучателя диэлектрической пластины.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков. Для достижения указанной цели предлагается излучатель, содержащий отрезок волновода, в Е-плоскости которого, посередине, размещены два продольных металлических гребня с изменяющимся зазором между их обращенными друг к другу кромками, короткозамыкатель волновода с размещенным на нем соосным волноводу вводом питающей линии, возбудитель и трансформатор волновых сопротивлений.

Согласно изобретению возбудитель выполнен в виде прямолинейного цилиндрического проводника, являющегося продолжением центрального проводника упомянутого ввода, выполненного коаксиальным, и подключен с гальваническим контактом к торцу одного из гребней, отстоящему, для размещения преобразователя типов волн, от короткозамыкателя, имеющего форму уступа, в то время как торец другого гребня непосредственно соединен с короткозамыкателем, оба гребня выполнены без использования диэлектрика, и их кромки со стороны коаксиального ввода имеют ряд ступеней, образующих трансформатор волновых сопротивлений, причем первая, ближайшая к вводу ступень этого трансформатора является частью упомянутого преобразователя типов волн, а последняя примыкает к регулярному Н-образному волноводу, переходящему в волновод с плавно увеличивающимся в сторону раскрыва зазором между кромками гребней, при этом преобразователь типов волн состоит из двух последовательных отрезков линии передачи, первый из которых, ближайший к коаксиальному вводу, является отрезком коаксиальной линии с прямоугольным внешним проводником, а второй - отрезком коаксиальной линии с П-образным внешним проводником, центральным проводником которых является упомянутый возбудитель.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого излучателя из литературы не известны, решение задачи не очевидно, поэтому он соответствует критериям “новизны” и “изобретательского уровня”.

На фиг.1 показан заявляемый излучатель (продольное сечение).

На фиг.2 приведена изометрия излучателя со стороны ввода (рупорная часть не показана).

На фиг.3 показан вид сбоку на преобразователь типов волн и трансформатор волновых сопротивлений.

На фиг.4 приведена зависимость КстU излучателя от частоты.

Широкополосный волноводно-рупорный излучатель (фиг.1) содержит отрезок волновода 1, с одной стороны которого расположен короткозамыкатель 2, имеющий форму уступа, а с другой стороны - рупор 3. Внутри излучателя, перпендикулярно широким стенкам волновода 1 в их средней части, в Е-плоскости, установлены два продольных металлических гребня 4, 5. На короткозамыкателе 2 размещен соосный коаксиальный ввод 6, продолжением центрального проводника которого является возбудитель 7 в виде прямолинейного цилиндрического проводника, подключенного с гальваническим контактом к торцу 8 гребня 5, который отстоит от ввода 6 на расстояние L1. Торец гребня 4 непосредственно соединен с короткозамыкателем 2. Оба гребня 4, 5 выполнены без использования диэлектрика. Обращенные друг к другу кромки гребней 4 и 5 имеют со стороны ввода 6 ряд ступеней, образующих на участке L1+L2 трансформатор волновых сопротивлений. Далее этот трансформатор продолжается регулярным Н-образным волноводом (участок L3), переходящим в рупор с раскрывом А В (А -размер в Н-плоскости, на фиг.1 он не виден).

Преобразователь типов волн, размещенный на участке L1, состоит из двух последовательных отрезков линии передачи. Первый из них, примыкающий к коаксиальному вводу 6, является отрезком коаксиальной линии с прямоугольным внешним проводником 9 (фиг.2, 3), а второй - отрезком коаксиальной линии с П-образным внешним проводником 10. Центральным проводником обоих этих отрезков является возбудитель 7. При этом первая, ближайшая к вводу 6 ступень 11 трансформатора волновых сопротивлений является одновременно частью упомянутого преобразователя типов волн, образуя выступ П-образного внешнего проводника 10. В состав трансформатора волновых сопротивлений входят также ступени 12, 13, 14, причем ступень 14 примыкает к регулярному Н-образному волноводу 15, переходящему в волновод с плавно увеличивающимся в сторону раскрыва излучателя зазором между кромками гребней 4 и 5 (участок L4).

Предложенный широкополосный волноводно-рупорный излучатель работает следующим образом. Электромагнитная волна поступает в него (в режиме передачи) через коаксиальный ввод 6 (фиг.1) в виде ТЕМ-волны. Отметим, что основной проблемой при создании широкополосных волноводно-рупорных излучателей является обеспечение эффективной канализации электромагнитной энергии от одного типа линии передачи внутри рупора к другому без отражений, вызываемых несовпадением конфигурации электромагнитного поля в излучателе, перепадом волновых сопротивлений и реактансом преобразователя. В предложенном излучателе преобразование типов волн осуществляется с помощью полости оригинальной формы, окружающей проводник 7 и состоящей из двух частей. В первой из них, с внешним прямоугольным проводником 9 (фиг.2, 3), осуществляется предварительное преобразование электромагнитной волны; поле в этой части хорошо совмещается и с полем в обычной коаксиальной линии, и с полем в коаксиальной линии с П-образным внешним проводником. Во второй части полости преобразователя, с П-образным внешним проводником 10, осуществляется окончательное преобразование типа волны ТЕМ (модифицированной под внешний проводник сначала прямоугольной, а затем П-образной формы) в тип ТЕ, основной в Н-образном волноводе. Емкостной зазор предложенной конфигурации вокруг проводника 7 обеспечивает распределенную компенсацию паразитной индуктивности. При этом распространение электромагнитной волны от сравнительно низкоомного коаксиального ввода 6 (например, 50 Ом) к более высокоомному Н-образному волноводу 15 осуществляется через ступенчатый трансформатор, в котором размеры ступеней 12-14 выбираются из условия обеспечения широкополосного согласования чебышевского типа. Размер ступени 11 этого трансформатора выбирается также с учетом обеспечения упомянутого выше преобразования типов волн. Далее преобразованная и трансформированная электромагнитная волна распространяется по регулярному Н-образному волноводу 15 в сторону рупора 3 и излучается из его раскрыва в свободное пространство. Преимуществом такого функционирования излучателя является возможность обеспечения компактности и хорошего согласования в полосе частот более 1,5 октав.

Предложенный волноводно-рупорный излучатель экспериментально проверен в РНИИРС на частотах 6-18 ГГц. При его создании была использована оригинальная программа расчета волноводов сложных сечений на основе метода частичных областей с учетом особенностей электромагнитного поля вблизи ребер. Размеры регулярного участка Н-образного волновода (L3 на фиг.1) соответствуют американскому стандарту WRD650 (внутренние размеры ab=18,298,15 мм, ширина гребней 4,39 мм, зазор 2,57 мм). Коаксиальный ввод выполнен на основе соединителя SMA с фторопластовой вставкой (Teflon); использован разъем СРГ-50-751-ФВ (розетка), присоединительный размер - М60,75. Размеры раскрыва АВ=28х25 мм, длина рупора L4=31,3 мм.

Профиль гребней в рупоре, начиная от горловины (фиг.1), соответствует данным таблицы 1.



Длина прямоугольного коаксиала, прилежащего ко вводу, составляет 3,40 мм, длина П-образного коаксиала - 2,45 мм, диаметр возбудителя 7 равен 2,15 мм. Размеры трансформатора приведены в таблице 2.



Измеренный КстU предложенного излучателя (с негерметизированным раскрывом) в полосе частот 6-18 ГГц приведен на фиг.4. Среднее значение КСВН в этой полосе не превышает 1,6 при максимальном значении 1,9 на частоте 17,1 ГГц. Диаграмма направленности излучателя имеет обычную форму.

При использовании предложенного излучателя достигнут следующий технико-экономический эффект по сравнению с прототипом:

1. Широкополосность увеличена не менее чем в 1,5 раза (полоса прототипа составляет около 1 октавы, предложенного излучателя - более 1,5 октав).

2. Создан коаксиальный ввод питающей линии, соосный волноводу (в прототипе такой ввод отсутствует).

3. Уменьшены диссипативные потери на СВЧ, так как отсутствуют потери в диэлектрической пластине, несущей возбудитель (такой пластины в предложенном излучателе нет); выигрыш, по оценкам, составляет 0,2-0,3 дБ на частотах 15-18 ГГц.

По существу данного предложения в РНИИРС разработана эскизная документация и изготовлен действующий образец, испытания которого подтвердили достижение поставленной цели.

Источники информации

1. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Сов. радио, 1972, 320 с.

2. Пат. 4021814, США, кл. 343-786 (HOIQ 13/02). /Д. Керр, М. Тимошко, Л. Харбор. Широкополосный гофрировании рупор с двухгребневым круглым волноводом.

3. А.с. 1103313, СССР, кл. H 01 Q 13/02. /А.Д. Касаткин. Соосный коаксиально-волноводный переход.

4. Пат. 2019008, РФ, кл. H 01 Q 13/02. /Б.В. Борщ, А.Л. Джиоев. Волноводно-рупорный излучатель. 



ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Широкополосный волноводно-рупорный излучатель, содержащий отрезок волновода, в Е-плоскости которого посередине размещены два продольных металлических гребня с изменяющимся зазором между их обращёнными друг к другу кромками, короткозамыкатель волновода с размещённым на нём соосным волноводу вводом питающей линии, возбудитель и трансформатор волновых сопротивлений, отличающийся тем, что возбудитель выполнен в виде прямолинейного цилиндрического проводника, являющегося продолжением центрального проводника упомянутого ввода, выполненного коаксиальным, и подключён с гальваническим контактом к торцу одного из гребней, отстоящему для размещения преобразователя типов волн от короткозамыкателя, имеющего форму уступа, в то время как торец другого гребня непосредственно соединён с короткозамыкателем, оба гребня выполнены без использования диэлектрика и их кромки со стороны коаксиального ввода имеют ряд ступеней, образующих трансформатор волновых сопротивлений, причём первая, ближайшая к вводу ступень этого трансформатора, является частью упомянутого преобразователя типов волн, а последняя примыкает к регулярному Н-образному волноводу, переходящему в волновод с плавно увеличивающимся в сторону раскрыва зазором между кромками гребней, при этом преобразователь типов волн состоит из двух последовательных отрезков линии передачи, первый из которых, ближайший к коаксиальному вводу, является отрезком коаксиальной линии с прямоугольным внешним проводником, а второй - отрезком коаксиальной линии с П-образным внешним проводником, центральным проводником которых является упомянутый возбудитель.







ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru