АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ОСЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ОСЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ


RU (11) 2030823 (13) C1

(51) 6 H01Q21/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

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

(21) Заявка: 5022789/09 
(22) Дата подачи заявки: 1992.01.16 
(45) Опубликовано: 1995.03.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Корчагин Ю.А. Индивидуальный прием программ спутникового ТВ, Воронеж, изд. В2У, 1990, рис.8.2. 
(71) Заявитель(и): Волков Юрий Михайлович; Кондратьев Александр Сергеевич 
(72) Автор(ы): Волков Юрий Михайлович; Кондратьев Александр Сергеевич 
(73) Патентообладатель(и): Волков Юрий Михайлович; Кондратьев Александр Сергеевич 

(54) АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ОСЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 

Использование: антенны для систем непосредственного приема ТВ со спутников. Сущность изобретения: антенная система состоит из возбудителя апертурного типа (расфазированного рупора) и антенны бегущей волны (АБВ), размещенных перпендикулярно его апертуре. Возбудитель выполнен с низким уровнем кроссполяризации и апертурным коэффициентом использования поверхности (КИП) не менее 0,9. АБВ могут быть выполнены в виде линейных решеток печатных вибраторов. Поляризационные свойства возбудителя совпадают с поляризационными свойствами АБВ. Согласно расчету антенная система имеет коэффициент усиления 46 дб на частоте 12 ГГц. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в различных радиосистемах, в частности в системах приема программ спутникового телевидения.

Из большого количества разнообразных антенн СВЧ в системах приема спутникового телевидения наиболее широкое распространение получили параболические антенны. Это обусловлено рядом их положительных качеств: высокий коэффициент использования поверхности (КИП); отсутствие принципиальных ограничений на достижимую величину коэффициента усиления (КУ); возможность работы на линейной и/или круговой поляризации; высокий коэффициент полезного действия. Однако, из-за того, что территория нашей страны не входит в зоны обслуживания спутников Западной Европы, США и Японии, для уверенного приема телепрограмм необходим высокий КУ приемной антенны (порядка 43-48 дб). Параболические антенны с таким КУ имеют большие габариты и вес (диаметр антенны, пригодной для применения на широте Москвы составляет (2,0-3,0) м при весе в несколько десятков кг). Таким образом, большие габариты, вес и высокая парусность спутниковых параболических антенн делает их недоступными для большинства граждан нашей страны, так как их размещение на крышах и балконах жилых домов затруднительно, а использование в квартирах граждан невозможно.

Частично устранить указанные недостатки позволяют плоские антенны для приема ТВ-сигналов с ИСЗ. Эти антенны как правило представляют собой плоские полосковые антенные решетки (ППАР) различных типов, в которых в качестве излучателей используются полосковые вибраторы, двумерные полосковые излучатели различной формы, зигзагообразные, спиральные элементы, излучающие щели и т.п., изготавливаемые с помощью печатной технологии. ППАР характеризуются уменьшенными по сравнению с параболическими антеннами габаритами и весом, посты в изготовлении, однако имеют следующий серьезный недостаток: из-за больших потерь в питающих полосковых линиях с их помощью не удается получить необходимую для уверенного приема ТВ-программ на всей территории нашей страны величину КУ (в известных на настоящее время ППАР величина КУ не превышает 35-37 дб).

Предлагаемую антенную решетку осевого излучения можно отнести к классу объемных антенн, которые не получили пока широкого распространения в системах спутникового ТВ. Такие антенны представляют собой антенную решетку (АР), элементами которой являются антенны бегущей волны (АБВ). Возбуждение АБВ может осуществляться различными способами, в том числе с помощью возбудителя апертурного типа: рупора, линзы или зеркала.

Достоинствами объемных антенн являются возможность выбора их конфигурации с учетом ограничений на габаритные размеры (продольный и поперечный), а также возможность модификации формы диаграммы направленности (ДН) путем изменения параметров отдельных АБВ, входящих в АР, и их расположения в апертуре возбудителя апертурного типа.

Недостатками известных объемных антенн являются:

- недостаточно высоких апертурный КИП возбудителя апертурного типа;

- значительный продольный размер возбудителя апертурного типа при использовании в качестве возбудителя рупора оптимальных размеров;

- высокий уровень кроссполяризационной составляющей в диаграмме направленности всей АР при использовании в качестве возбудителя апертурного типа одномодового конического или пирамидального рупора с гладкими стенками;

- значительные поляризационные потери по всей АР из-за несогласованности поляризационных свойств возбудителя и отдельных АБВ. Указанные потери определяются уровнем кросполяризационной составляющей в диаграмме направленности возбудителя апертурного типа и/или АБВ.

Отмеченные недостатки снижают КУ объемной антенны при данных габаритах, либо приводят к необходимости увеличения ее габаритных размеров с целью обеспечения требуемого КУ.

Наиболее близкой к предложенному устройству является объемная антенна в виде АР осевого излучения, которая выбирается в качестве прототипа, содержащая возбудитель апертурного типа, выполненный в виде рупора или линзы, и систему АБВ, выполненную в виде диэлектрических стержней, расположенную перпендикулярно апертуре возбудителя апертурного типа.

Достоинства и недостатки прототипа совпадают с отмеченными выше достоинствами и недостатками аналогов.

Таким образом, описанные выше антенны-аналоги и прототип не обеспечивают достижения высокого КУ и низкого уровня кроссполяризации при заданных габаритных размерах. Предлагаемая АР осевого излучения лишена указанных недостатков аналогов и прототипа.

Целью изобретения является повышение КУ, снижение уровня кроссполяризации и уменьшение габаритных размеров.

Указанная цель достигается тем, что в АР осевого излучения, содержащий возбудитель апертурного типа и систему АБВ, размещенную ортогонально апертуре возбудителя апертурного типа, длины отдельных АБВ "L" и общее число АБВ "N" выбраны из следующих соотношений, полученных эмпирически: L(0,035-0,052)G 3 /S, (1) N[(4-8)S/2 ], (2) где G - КУ АР осевого излучения,

- центральная длина волны рабочего диапазона,

S - площадь апертуры возбудителя,

[...] - целая часть выражения.

Продольный размер возбудителя "l" выбран из соотношения lS0,5. (3) Такой выбор продольного размера возбудителя позволяет существенно уменьшить его габариты по сравнению с возбудителем антенны-прототипа.

Поляризационные свойства возбудителя выбраны совпадающими с поляризационными свойствами АБВ таким образом, чтобы при работе предлагаемой антенны на линейной (круговой) поляризации как возбудитель апертурного типа, так и АБВ обеспечивали работу на поляризации указанного типа без применения дополнительных поляризационных фильтров с низким уровнем кроссполяризации в поле излучения.

В частности, уменьшение продольного размера возбудителя и согласование поляризационных свойств возбудителя и системы АБВ может быть достигнуто путем использования в качестве возбудителя короткого расфазированного рупора с корректирующей линзой. Более низкий уровень кроссполяризации поля в апертуре возбудителя заявляемой АР осевого излучения по сравнению с возбудителем-прототипа и высокий апертурный КИП (не ниже 0,9), обеспечивается, например, посредством совместного использования конического ребристого рупора и диэлектрической менисковой линзы.

На фиг.1 изображено предложенное устройство, общий вид; на фиг.2, 3, 4 - примеры выполнения соответственно возбудителя апертурного типа (фиг.2) и АБВ (фиг.3,4).

Предлагаемая антенная решетка осевого излучения содержит возбудитель 1 и систему АБВ 2.

Устройство работает следующим образом.

Возбудитель 1 формирует в своей апертуре распределение поля с КИП, близким к единице, и низким уровнем кроссполяризационной составляющей. При этом поляризация поля в апертуре возбудителя совпадает с поляризацией набора бегущих волн, поддерживаемого каждой АБВ 2. Указанное согласование поляризационных свойств возбудителя и АБВ, а также выбор числа, размеров АБВ и длины возбудителя в соответствии с соотношениями (1)-(3) обеспечивают эффективное возбуждение решетки АБВ и отсутствие поляризационных потерь без увеличения продольного размера возбудителя.

Таким образом, совокупность упомянутых конструктивных признаков заявленного устройства обеспечивает повышение КУ АР осевого излучения и уменьшение уровня кроссполяризации при уменьшении габаритов.

На фиг. 2 изображен пример выполнения возбудителя апертурного типа 1 в виде расфазированного конического ребристого рупора 3, возбуждаемого круглым волноводом 4. Перед апертурой ребристого рупора расположена диэлектрическая менисковая линза 5. Глубины канавок гофра 6 на стенках рупора выбраны из соотношений

h1min./2,

hnmax./4, где hi - глубина i-ой канавки, i=1,2,...,n; min., max. - границы рабочего диапазона длин волн. Канавки нумеруются от горловины рупора к его апертуре. Глубины канавок по мере удаления от горловины рупора монотонно убывают. Входная поверхность диэлектрической менисковой линзы выполнена сферической радиуса f, а профиль выходной поверхности задается соотношением

() = fi где f1 - фокусное расстояние линзы,

n - коэффициент преломления диэлектрика,

- текущее значение угла. Длина возбудителя составляет lS0,5.

Описанная конструкция апертурного возбудителя обеспечивает низкий уровень кроссполяризации поля в его апертуре при работе как на линейной, так и на круговой поляризации, и высокий апертурный КИП в плоскости выходной поверхности диэлектрической менисковой линзы, составляющий в данном случае 0,93.

На фиг.3 приведен пример выполнения системы АБВ в виде набора АР тонких поперечных полосковых вибраторов, расположенных на ряде диэлектрических пластин в узлах прямоугольной сетки. Параметры АБВ, их число и взаимное расположение выбираются из соотношений (1)-(2) и

2а0,5 эф,

t < 0,12а,

b0,25 эф,

d10,5 эф,

d20,5 эф,

эф= /[1+А( r -1)0,5],

0 < А < 1, где 2а - длина плеча вибратора,

t - ширина вибратора,

b - расстояние между вибраторами в АБВ,

d1 - расстояние между соседними АБВ, расположенными на одной плоскости,

d2 - расстояние между диэлектрическими пластинами,

r - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрических пластин.

Ограничение сверху на величину расстояния между соседними АБВ "d1" и "d2" следует из известных соотношений, вытекающих из условия отсутствия побочных главных максимумов в ДН плоской АР, элементами которой являются АБВ.

Минимальное расстояние между соседними АБВ определяется конкретным выполнением АБВ (габаритными размерами и электрическими характеристиками образующих их излучателей).

Расположение АБВ в поперечном сечении предлагаемой АР может быть произвольным с учетом указанных выше ограничений на величину расстояния между соседними АБВ. В частности, возможно расположение АБВ в узлах прямоугольной (см. фиг. 3) или гексагональной сетки, по радиусам или в виде неэквидистантной АР со случайным расположением элементов. Выбор того или иного закона расположения АБВ в поперечном сечении АР определяется конструктивными и технологическими соображениями, а также дополнительными требованиями к параметрам ДН АР (уровню боковых лепестков, закону их спадания, ширине главного лепестка при заданных габаритах). Выбор закона расположения АБВ в последнем случае осуществляется на основе известных расчетных соотношений.

В целях улучшения согласования с внешним пространством торцы диэлектрических пластин, параллельные плоскости апертуры, могут иметь скосы длиной порядка .

Алгоритм реализации предложенной АР осевого излучения может быть сформулирован следующим образом:

1) задается требуемый КУ АР "G" и рабочая длина волны " ";

2) задается площадь поперечного сечения АР "S";

3) по формуле (3) определяется максимальная длина возбудителя апертурного типа;

4) по формулам (1) и (2) определяются общее число АБВ "N" и длина каждой АБВ "L";

5) вид и конкретное выполнение возбудителя апертурного типа и системы АБВ и каждой АБВ определяются требованиями к поляризации поля излучения, конструктивными требованиями и требованиями к параметрам ДН.

Для примера укажем, что предложенная АР осевого излучения предназначенная для работы в диапазоне частот (10.9-12.5) Ггц с КУ, равным 46 Дб, на линейной поляризации и выполненная согласно фиг.2 и фиг.3, имеет цилиндрическую форму со следующими габаритами: диаметр порядка 25 см, длина (80-90) см, что значительно меньше габаритов параболической антенны с соответствующей величиной КУ.

Описанная выше система АБВ (фиг.1) обеспечивает работу АР на линейной поляризации поля. Достижение поставленной цели - увеличение КУ, снижение уровня кроссполяризации при заданных габаритах АР осевого излучения, а также достижение других заданных электрических характеристик, может быть обеспечено и при других способах выполнения системы АБВ. Например, при выполнении АБВ в виде линейной АР полосковых или тонких цилиндрических вибраторов, в каждой АБВ длины вибраторов могут выполняться модулированными вдоль продольной оси АБВ по определенному закону, либо каждая АБВ может быть выполнена из вибраторов переменной длины и/или ширины, размещенных на разных расстояниях друг от друга. Кроме того, в качестве элементов АВБ могут использоваться вибраторы сложной формы или другие излучающие элементы (например, щели в металлическом экране). Использование чередующихся АБВ, настроенных на разные частоты позволяет расширить рабочую полосу частот или обеспечить многочастотный режим работы АР осевого излучения. Выполнение АБВ различной длины "L" и размещение соседних АБВ с различным сдвигом друг относительно друга и относительно апертуры возбуждающего рупора позволяет отказаться от использования диэлектрической менисковой линзы.

При работе на круговой поляризации поля могут быть использованы, в частности, АБВ из тонких крестообразных вибраторов, АБВ в виде объемной спирали, диэлектрического стержня, ребристо-стержневой антенны (фиг.4) и других.

Использование в качестве возбудителя рупора и, в частности, описанного выше ребристого рупора с высоким апертурным КИП и низким уровнем кроссполяризации поля, согласование поляризационных свойств возбудителя и АБВ, выбор размеров возбудителя, длины и числа АБВ согласно формуле изобретения, позволяет обеспечить повышенную величину коэффициента усиления при работе предложенной антенны как на линейной, так и на круговой поляризации.

Дополнительными преимуществами предложенной антенны являются:

- возможность оперативного перехода от линейной поляризации к круговой путем замены лишь системы АБВ, обеспечивающего работу как на линейной, так и на круговой поляризации;

- возможность модульного построения антенны при обеспечении работы с различными требуемыми значениями ККУ путем изменения параметров (например, длины) лишь системы АБВ и использования одинаковых по конструкции возбудителей. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ОСЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащая возбудитель апертурного типа и антенны бегущей волны, расположенные ортогонально его апертуре в ее объеме с поперечным сечением S, отличающаяся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления, снижения уровня кроссполяризации и уменьшения габаритов, длина l возбудителя апертурного типа, число N антенн бегущей волны и их длины L выбраны из соотношений

l 0,5S;

L (0,035- 0,052) G3/S ;

N (4-8) S/2,

где G - требуемый коэффициент усиления;

- центральная длина волны рабочего диапазона.

2. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения апертурного КИП не менее 0,9 и низкого уровня кроссполяризации при работе на линейной и круговой поляризации, возбудитель апертурного типа выполнен в виде гофрированного конического рупора, в раскрыве которого установлена диэлектрическая менисковая линза, при этом глубины hi и hn канавок гофра где i = 1,2,. ..,n, считая от горловины гофрированного конического рупора, выбраны из соотношений

hi min/2;

hn max/4,

где min, max - минимальная и максимальная длины волн рабочего диапазона,

входная поверхность диэлектрической менисковой линзы выполнена сферической, а профиль ее выходной поверхности в полярных координатах описан соотношением



где fi - фокусное расстояние диэлектрической менисковой линзы;

n - коэффициент преломления диэлектрика диэлектрической менисковой линзы;

v - текущий угол.

3. Решетка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения высокого коэффициента усиления при работе на линейной поляризации, каждая антенна бегущей волны выполнена в виде линейной антенной решетки, состоящей из печатных вибраторов, расположенных на диэлектрической плате, при этом диэлектрические платы размещены в поперечном сечении S в узлах прямоугольной сетки, причем длины 2a печатных вибраторов, их ширина t, расстояние b между ними и размеры d1 и d2 ячейки прямоугольной сетки выбраны из соотношений

2a 0,5 эф;

t< 0,12a;

b 0,25 эф;

d1 0,5 эф;

d2 0,5 эф;

эф= /[1+A(Er-1)]0,5;

0 < A < 1,

где Er - диэлектрическая проницаемость диэлектрических плат.




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