Результат интеллектуальной деятельности: Двухчастотный облучатель зеркальной антенны

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот
и предназначено для излучения и приема электромагнитных волн в двух различных частотных диапазонах. Устройство может быть использовано в системах связи, радиолокации, радионавигации, различной измерительной и специальной радиоаппаратуре.

Известен коаксиальный облучатель для многодиапазонной антенны [US 2020403312, опубл. 24.12.2020], содержащий круглый высокочастотный волновод и соосный с ним коаксиальный низкочастотный волновод, подключенные к совмещенному рупорному излучателю. Переход
от коаксиального и круглого волноводов к излучающему раскрыву излучателя выполнен в виде осесимметричной конструкции из трубок сложного профиля, поддерживающих диэлектрических втулок, диэлектрического стержня.

Существенным недостатком конструкции-аналога является высокая сложность в производстве, так как элементы конструкции имеют сложные сечения.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является двухдиапазонный излучатель для применения в системах связи 5G [СN 107546475, опубл. 03.12.2019], содержащий круглый высокочастотный волновод и соосный с ним коаксиальный низкочастотный волновод, коаксиальный гофрированный рупор, диэлектрическую стержневую антенну, кольца для согласования импеданса и дроссельные кольца.

Существенным недостатком конструкции-прототипа является отсутствие деталей, которые обеспечивали бы соосность внешней и внутренней трубок коаксиального волновода. При практическом использовании отсутствие соосности ведет к деградации характеристик облучателя.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение простоты и технологичности изготовления двухчастотных коаксиальных облучателей зеркальных антенн и обеспечение соосности внешней и внутренней трубок коаксиального волновода в облучателе.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в двухчастотном облучателе зеркальной антенны, содержащем круглый высокочастотный волновод и соосный с ним коаксиальный низкочастотный волновод, коаксиальный гофрированный рупор, диэлектрическую стержневую антенну, новым является то, что устройство включает согласующую диэлектрическую втулку и металлическую диафрагму, причем при сборке диэлектрическая втулка и металлическая диафрагма зажимаются между фланцем волновода и гофрированным рупором, обеспечивая соосность трубок волновода.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием согласующей диэлектрической втулки и металлической диафрагмы, причем при сборке диэлектрическая втулка и металлическая диафрагма зажимаются между фланцем волновода и гофрированным рупором. За счет этого удается надежно зафиксировать круглый высокочастотный волновод и обеспечить герметичность коаксиального волновода, при этом не ухудшив согласование.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана антенна Кассегрена с установленным двухчастотным облучателем; на фиг. 2 показан облучатель с гиперболическим контррефлектором, а на фиг. 3 отображены они же, но со снятым креплением контррефлектора; на фиг. 4 приведен чертеж заявляемой конструкции с разнесенными частями; на фиг. 5 показан разрез заявляемой конструкции в сборе; на фиг. 6 показана электродинамическая модель заявляемой конструкции; на фиг. 7 и 8 показаны рассчитанные S-параметры электродинамической модели; на фиг. 9 и 10 показаны рассчитанные диаграммы направленности электродинамической модели.

Двухчастотный облучатель зеркальной антенны устанавливается, например, на зеркальной антенне, выполненной по схеме Кассегрена (фиг. 1), содержащей параболический рефлектор (1) и гиперболический контррефлектор (2), закрепленный на облучателе с помощью держателя (3). Электромагнитные волны двух частотных диапазонов передаются (фиг. 2) раздельно по объединенным коаксиальному и круглому волноводам (4), которые соединены (фиг. 3) с двухчастотным облучателем (5). На фиг. 4 показан его чертеж с разнесенными частями. Металлическая трубка (6), внутренняя часть которой используется как круглый волновод, а внешняя – как проводник коаксиальной линии связи, проходит через согласующую диэлектрическую втулку (7) и металлическую диафрагму (8), а в конец трубки вставлен диэлектрический излучатель (9). При сборке диэлектрическая втулка (7) и металлическая диафрагма (8) зажимаются (фиг. 5) между фланцем волновода (4) и гофрированным рупором (10). Для герметизации конструкции предусмотрены резиновые кольца (11).

Двухчастотный облучатель зеркальной антенны работает следующим образом. Поскольку антенна является взаимным устройством, рассмотрим только случай, когда в обоих диапазонах осуществляется передача СВЧ сигналов. Сигналы от двух СВЧ-передатчиков поступают (фиг. 5) по объединенным коаксиальному и круглому волноводам (4), при этом сигнал верхнего диапазона частот поступает по круглому волноводу (6), а нижнего диапазона частот по коаксиальному волноводу, образованному внешней стенкой трубки (6) и внутренней стенкой наружной трубки волновода (4). Сигнал верхнего частотного диапазона излучается диэлектрическим излучателем (9), который согласован с волной в круглом волноводе за счет конусообразной части, входящей в волновод. Сигнал нижнего частотного диапазона излучается гофрированным рупором (10), который согласован с коаксиальным волноводом за счет резонансной системы, образованной диэлектрической втулкой (7), металлической диафрагмой (8) и отрезком коаксиальной линии между диафрагмой (8) и началом раскрыва гофрированного рупора (10). При этом диэлектрическая втулка (7) и металлическая диафрагма (8) одновременно выполняют функцию поддержания соосности двух трубок, образующих совмещенный волновод (4). Сигналы нижнего и верхнего диапазона частот отражаются (фиг. 1) от гиперболического контррефлектора (2), а затем от параболического рефлектора (1).

Для иллюстрации работоспособности заявляемого устройства создана его электродинамическая модель (фиг. 6). Модель полностью соответствует приведенному описанию заявляемого устройства, за исключением отсутствия в модели крепежных и иных механических элементов, которые не влияют на электрические характеристики устройства. Электродинамическая модель имеет следующие основные размеры: внутренний диаметр внешней проводящей трубки объединенных коаксиального и круглого волноводов 10 мм; внешний диаметр внутренней проводящей трубки 6 мм; внутренний диаметр внутренней проводящей трубки 4.5 мм; внутренний диаметр металлической диафрагмы 8.8 мм; длина диэлектрического излучателя 17.5 мм; диаметр раскрыва гофрированного рупора 45.4 мм; материал втулок – фторопласт-4 (относительная диэлектрическая проницаемость 2.1, тангенс угла диэлектрических потерь 2×10^-4), материал остальных деталей – алюминий (проводимость 3.56×10⁷ См/м).

На фиг. 7 и 8 показаны результаты расчета S-параметров электродинамической модели заявляемого устройства, а также условно показаны распределения электрического поля мод, для которых был проведен расчет. Из зависимости на фиг. 7 видно, что коэффициент отражения от входа коаксиального волновода ниже минус 15 дБ в полосе частот от 19 до 20 ГГц (относительная ширина полосы частот 5.1%). Зависимость на фиг. 8 показывает, что коэффициент отражения от входа круглого волновода ниже минус 18 дБ в полосе частот от 42 до 46 ГГц (относительная ширина полосы частот 9.1%). То есть облучатель в указанных диапазонах хорошо согласован со свободным пространством. На фиг. 9 и 10 показаны результаты расчета диаграмм направленности электродинамической модели заявляемого устройства на центральных частотах рабочих диапазонов – 19.5 ГГц и 44 ГГц, соответственно. Как видно, устройство формирует близкие по форме диаграммы направленности в обоих частотных диапазонах.

Согласно указанным параметрам электродинамической модели был изготовлен макет двухчастотного облучателя зеркальной антенны. Результаты измерений S-параметров и диаграмм направленности устройства подтвердили на практике корректность численных расчетов и достижение технического результата: устройство является простым и технологичным в изготовлении, обеспечивает соосность внешней и внутренней трубок коаксиального волновода.