Processing

Please wait...

Settings

Settings

Goto Application

1. WO1992016982 - FLAT SLOT ARRAY

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ RU ]
ПЛОСКАЯ ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА.

Область техники.

Настоящее изобретение относится к радиотехнике, технике ОВЧ. к антенно-фидерным устройствам, а более конкретно - к плоской щелевой антенной решетке.

Предшествующий уровень техники.

В настоящее время ведутся работы по созданию совместимых с современным радиоэлектронным оборудованием в микроэлек рон-ном исполнении антенн, имеющих коэффициент полезного действия более 0,7 при размерах апертуры, лежащих в пределах от 15 до 30 длин волн в свободном пространстве, и при полосе рабочих частот не менее 10%. Кроме того, эти антенны должны иметь простую конструкцию, малую массу и толщину, высокую техноло-гичность изготовления и повторяемость размеров и параметров.

Попытки создать антенны, обладающие упомянутыми характе-ристиками, привели к появлению щелевой антенной решетки в пе-чатном исполнении ("Радиоэлектроника 8 рубежом", обзоры, вы-пуск 7(39), 1989, (НИИЭИР, Москва, "Плоские антенны для систем непосредственного телевизионного вещания", с.3,4, фиг.1)). Эта щелевая антенная решетка содержит диэлектрическую подлож-ку с широкими щелями-окнами, сообщенными с волноводно-фидер-ной сетью, образованной полосковыми линиями.

Так как такая щелевая антенная решетка выполнена в печат-ном исполнении, то она технологична в изготовлении, обладает малой массой и толщиной, простотой конструкции» имеет высокую повторяемость размеров и параметров.

Однако, данная антенная решетка характеризуется относи-тельно большими потерями в волноводно-фидерной сети и при раз-мерах апертуры, лежащих в пределах от 15 до 30 длин волн в свободном пространстве, и при полосе рабочих частот не менее 10% ее коэффициент полезного действия не превышает 0,6. Это обусловлено тем, что волноводно-фидерная сеть этой антенной решетки выполнена на полосковых линиях, имеющих потери, лежа-щие в пределах от 0,05 до 0,1 дБ/см.

Известна так же волноводно-щелевая антенная решетка на полых волноводах ( Д. И. Воскресенский и другие, "Антенны и уст-ройства ОВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток", 1981, Радио и связь( Москва) , с.126-128). В этой антенной решет-ке волноводно-щелевые излучатели и волноводно-фидерная сеть л,„ ,„o,

92/16982 - 2 - выполнены на полых металлических волноводах.

Такая щелевая антенная решетка при упомянутых условиях имеет высокий коэффициент полезного действия, так как потери в ЕОЛНОВОдно-щелевых излучателях и волноводах волноводно-фидер- 5 ной сети минимальны и не превышают 0,001 дБ/см.

Однако, такая конструкция антенной решетки нетехнологич- на, так как ее изготовление предусматривает использование болыюго объема непрогрессивных механосборочных работ, не даю- щих требуемой повторяемости размеров и параметров антенной ре- 10 шетки. Кроме того, применение полых металлических волноводов приводит к тому, что эта антенная решетка обладает большой массой, толщиной и металлоемкостью.

Известна так же плоская щелевая антенная решетка("Радиов- лектроника за рубежом", обзоры, выпуск 2(34), 1989, (НИИВИР, 15 Москва, " юские волноводно-щелевые антенные решетки", с.24-26, фиг.2)), содержащая ряд волноводно-щелевых излучателей, имею- щих обратную и лицевые широкие стенки, в которых выполнены со- ответственно возбуждающие щели связи и излучающие щели, и кото- рые лежат соответственно в двух параллельных плоскостях, и 20 волноводно- идерную сеть, содержащую волноводные распределите- ли мощности и питающие волноводы, каналы которых сообщены с возбуждающими щелями связи.

Каждый волноводно-щелевой излучатель образован в резуль- тате сборки платы, изготовленной из листа металла с выполнен- 5 ными в нем излучающими щелями и которая является лицевой широ- кой стенкой этого излучателя, с основанием, в котором под вол- новод каждого волноводно- елевого излучателя выполнен прямоу- гольный паз с образованием двух узких стенок и одной обратной широкой стенки этого волноводно- елевого излучателя. Волновод- 0 но-фидерная сеть выполнена на полых металлических волноводах.

Такая плоская щелевая антенная решетка при упомянутых ус- ловиях имеет высокий коэффициент полезного действия, так как потери в волноводах волноводно-щелевых излучателей и волново- дах волноводно-фидерной сети минимальны.

5 Однако, практика изготовления таких плоских щелевых ан- тенных решеток показала, что ее конструкция сложна и изготов- ление этой антенной решетки нетехнологично и трудоемко, так как связано с большим объемом непрогрессивных механосборочных работ, необеспечивающих высокого уровня повторяемости равме- ров и параметров этой антенной решетки. Кроме того, при ивго- товлении волноводно-щелевых ивлучателей затруднительно осущес- твлять контроль внутреннего шва между ребрами узких стенок волноводов, выполненных в основании, и листом металла с излу- чающими щелями. Наличие даже очень короткого непропаянного участка в этих швах приводит к паразитной свяви между смежными волноводно-щелевыми излучателями и, как следствие этого, к уменьшению коэффициента усиления антенной решетки, другими словами конструкция данной плоской щелевой антенной решетки ненадежна. Кроме того, такая антенная решетка имеет по сравне- нию с антенными решетками в печатном исполнении большую массу и толщину. В основном это обусловлено тем , что в конструкции данной решетки испольвовано металлическое основание под волно-воды волноводно- елевых ивлучателей, имеющее большую массу и толщину. А применение волноводно- идерной сети на полых метал-лических волноводах еще больше увеличивает массу и толщину этой антенной решетки.

Раскрытие изобретения.

В основу изобретения положена задача совдания плоской щелевой антенной решетки, в которой ва счет конструктивного изменения волноводно-щелевых излучателей при сохранении вы-сокого коэффициента полезного действия в широкой полосе час-тот обеспечивалась бы простота и надежность конструкции, ма-лые толщина и вес, высокая технологичность изготовления этой антенной решетки.

Эта задача решается тем, что в плоской щелевой антенной решетке, содержащей ряд волноводно-щелевых излучателей, име-ющих обратную и лицевые широкие стенки, в которых выполнены соответственно возбуждающие щели свнви и излучающие щели и которые лежат соответственно в двух параллельных плоскостях, и волноводно-фидерную сеть, содержащую волноводные распреде-лители мощности и питающие волноводы, каналы которых сооб-щены с возбуждающими щелями связи, согласно изобретению, волноводно-щелевые ивлучатели представляют собой полосковые волноводы, содержащие общую диэлектрическую подложку, обрат- ная сторона которой покрыта металлизированным слоем, являющим- ся общей обратной широкой стенкой волноводно-щелевых излучате- лей, каждая лицевая широкая стенка которых представляет собой полосковую линию из чередующихся широких и узких отревков, сформированную на лицевой стороне диэлектрической подложки.

Конструкция волноводно-щелевых излучателей по существу представляет собой печатную диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен ряд лицевых широких стенок печатных полосковых волноводно-щелевых излучателей в виде полосковых линий из чередующихся широких и узких отрезков, а на другой стороне которой сформирована общая обратная широкая стенка этих полосковых волноводно-щелевых излучателей в виде металли- зированного слоя.

Конструкция такой антенной решетки позволяет выполнить ее ЕОЛНОЕОДНО-щелевые излучатели в печатном исполнении, другими словами конструкция позволяет отказаться от применения болыпо- го объема механосборочных работ, заменив их прогрессивными ме- тодами печатной технологии, в частности методом фотолитогра- фии. Это делает антенную решетку технологичной в изготовлении, трудоемкость ее изготовления мала.

Кроме того, применение печатных методов при изготовлении антенной решетки позволяет получить высокий уровень повторяе- мости размеров и параметров антенной решетки.

В конструкции данной плоской щелевой антенной решетки волноводно-щелевые излучатели выполнены в виде одной единой детали - диэлектрической платы с широкими лицевыми стенками печатных волноводно-щелевых излучателей на одной стороне и тон-ким металлизированным слоем на другой. Толщина и масса такой детали малы, ее конструкция проста и надежна. В конечном итоге антенная решетка обладает малой массой и толщиной, ее конст-рукция проста и надежна.

Рассматриваемая плоская щелевая антенная решетка обладает высоким, более 0,7 , коэффициентом полезного действия при раз-мерах апертуры, лежащих в пределах от 15 до 30 длин волн в свободном пространстве, и при полосе рабочих частот не менее 10%. Это обусловлено тем, что волноводно-щелевые излучатели этой антенной решетки выполнены на полосковых волноводах. - Б - представляющих собой по существу волноводы прямоугольного се- чения, заполненные диэлекрическим материалом, из которого вы- полнена подложка. А потери в таких полосковых волноводах лежат в пределах от 0,02 до 0,03дБ/см и не уменьшают значительно ко- эффициент полезного действия антенной решетки.

Целесообразно, чтобы волноводно-фидерная сеть была бы размещена на металлизированном слое, который является общей широкой стенкой питающих волноводов и волноводных распредели- телей мощности.

Это позволяет использовать одновременно металлизированный слой подложки как в качестве обратных широких стенок полоско- вых волноводно-щелевых излучателей, так и в качестве одной из широких стенок волноводов волноводно-фидерной сети. Это в свою очередь позволяет уменьшить толщину и массу антенной решетки.

Не менее целесообразно, чтобы волноводно-фидерная сеть содержала бы основание, в котором были бы выполнены прямоутоль-ные пазы, поверхности которых с поверхностью металлизированно-го слоя образовывали бы каналы волноводно-фидерной сети.

Такая конструкция позволяет после сборки подложки излуча-телей с основанием волноводно-фидерной сети получить волноводы прямоугольного сечения, на которых легко реализуются питающие волноводы и волноводные распределители мощности в виде, нап-ример,"Н"-тройников, что позволяет выполнить все волноводы волноводно- идерной сети лежащими в одной плоскости, что в свою очередь уменьшает толщину антенной решетки.

Разумно, чтобы продольные оси полосковых волноводов были бы параллельны и расстояние между продольными осями смежных полосковых волноводов было бы меньше длины волны в свободном пространстве на верхней частоте и больше суммы одной двадцатой этой длины волны с поперечным размером широкого отреэка полос-ковой линии.

Это позволяет получить максимальный коэффициент усиления этой антенной решетки. Выбор расстояния между продольными осями смежных полосковых волноводов меньше суммы одной двадцато длины волны в свободном пространстве на верхней частоте с по-перечным размером широкого отрезка полосковой линии приводит к паразитной взаимосвязи между смежными полосковыми волноводами и уменьшает коэффициент усиления антенной решетки. С другой стороны увеличение упомянутого расстояния больше, чем длина волны в свободном пространстве на верхней частоте, приводит к появлению дифракционных лепестков, что также уменьшает коэффи- циент усиления антенной решетки.

Целесообразно так же, чтобы длина каждой возбуждающей щели связи лежала бы в пределах от около 0,8 до около 1,0 по- перечного размера узкого отрезка полосковой линии.

Это позволяет получить максимальный коэффициент полезного действия и, следовательно, коэффициент усиления антенной ре- шетки. С одной стороны выполнение длины каждой щели меньше 0,8 поперечного размера узкого отрезка полосковой линии не позволяет осуществить достаточную связь между волноводно-щеле- выми излучателями на полосковых волноводах с питающими волно- водами волноводно-фидерной сети. 0 другой стороны выполнение длины каждой щели более 1,0 поперечного размера приводит к па- разитному излучению из полоскового волновода, что приводит к потерям и уменьшает коэффициент полезного действия этой антен- ной решетки.

Краткое описание чертежей.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта выполнения плоской щелевой антенной решетки и прила- гаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает плоскую щелеЕую антенную решетку, выложенную согласно изобретению, Е прямоугольной изометричес- кой проекции:

фиг.2- вид по стрелке А на фиг.1.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Рассмотрим плоскую щелевую антенную решетку, применяе-мую в качестве антенны для систем непосредственного спутниково-го телевизионного вещания. Эта антенная решетка содержит ряд волноводно-щелевых излучателей 1(фиг.1), каждый из которых представляет собой полосковый волновод 1а, состоящий из диэ-лектрической подложки 2, обратная сторона которой покрыта ме-таллизированным слоем 3(фиг.2), являющимся общей обратной широ-кой стенкой За во новодно-щелевых излучателей 1. Ба лицевой стороне 4(фиг.1) диэлектрической подложки 2 сформирова ряд по- лосковых линий 5, каждая ив которых представляет собой лицевую широкую стенку 5а волноводно-щелевого излучателя 1 и состоящую ив чередующихся увких отревков 6 и широких отрезков 7. В лице- вой широкой стенке 5а волноводно- елевого излучателя 1 выпол- нены излучающие щели 8, а в общей обратной широкой стенке За выполнены возбуждающие щели 9(фиг.2) связи. Общая обратная ши- рокая стенка За и лицевые широкие стенки 5а волноводно-щелевых излучателей 1 лежат в параллельных плоскостях. На металливиро- ванном слое 3 размещена волноводно- идерная сеть 10, представ- ляюшая собой основание 11, в котором выполнены прямоугольные па вы 12, поверхности которых с поверхностью металлизированного слоя образуют каналы 12а питающих волноводов 13 и волноводных распределителей 14 мощности, выполненных в виде "Н"-тройников. Металлизированный слой 3 является широкой стенкой Зв питающих волноводов 13 и волноводных распределителей 14 мощности.

Длина 1 каждой возбуждающей щели 9 связи лежит в пределах от около 0,8 до около 1,0 поперечного размера (фиг.1)

уэ ого отрезка 6 полосковой линии 5. Продольные оси 0-0 полосковых волноводов 1а параллельны и расстояние d между продольными осями О, -Qj смежных полосковых волноводов 1а меньше длины волны в свободном пространстве на верхней частоте и больше суммы одной двадцатой этой длины волны с поперечным размером широкого отрезка 7 полосковой линии 5. Количество волноводно-ше евых излучателей 1, излучающих щелей 8, питающих волноводов 13 и волноводных распределителей 14 мощности выби-рают в зависимости от требуемого размера апертуры D антенной решетки и полосы рабочих частот.

Антенная решетка работает следующим образом. Сигнал, принимаемый антенной решеткой черев излучающие щели 8, посту-пает в каждый волноводно-щелевой излучатель 1 и распростра-няется вдоль продольной оси O^ -Oj полоскового волновода 1а в виде волны, тип которой близок к типу Н . При этом чере ую-щиеся узкие отрезки 6 и широкие отревки 7 полосковой линии 5 образуют лицевую широкую стенку 5а полоскового волновода 1а. В полосковом волноводе 1а узкие стенки как элемент конструк-ции отсутствуют, однако, выполнение нулевых граничных условий для электрического поля Еу в плоскостях, лежащих относитель- но продольной оси -O^ полоскового волновода la на расстоя- нии, приблизительно равном половине ширины ^ узкого отрезка 6 полосковой линии 5, создает условия для распространении в та- кой линии передачи волноводных типов волн. ВолноЕодно-шеле- вой излучатель 1 на полосковом волноводе имеет топологию из- лучающих щелей 8 и электрические характеристики, близкие к топологии и электрическим характеристикам волноводно-щелево- го излучателя на полом металлическом волноводе с размером широкой стенки, равным приблизительно ширине
узких отрез- ков 6 полосковых линий 5, и размером узкой стенки, равным толщине h диэлектрической подложки 2, и заполненного диэлек- рическим материалом, из которого выполнена подложка 2. Сиг- налы с каждого волноводно-щелевого излучателя 1 на полоско- вых волноводах 1а , по существу представляющего собой резо- нансную или нерезонансную волноводно-щелевую антенную решет- ку на прямоугольном волноводе, заполненном диэлектрическим материалом, поступают через возбуждающие щели 9 связи в пи- тающие волноводы 13, а через них распространяются в волно- водные распределители 14 мощности, в которых происходит син- фазное сложение сигналов и формирование выходного сигнала. Количество питающих ВОЛНОВОДОЕ 13 И волноводных распре-делителей 14 мощности в антенной решетке определяется разме-рами D апертуры и необходимой полосой пропускания.

Промышленная применимость.

Плоская щелевая антенная решетка, выполненная согласно изобретению и использованная для непосредственного спутнико-вого телевизионного вещания, при размерах апертуры 375x375 мм и толщине 8 мм имеет коэффициент полезного действия 0, 75 и коэффициент усиления 32, 9дБ в диапазоне рабочих частот 10, 9 - 11 , 7 Ггц. А при размерах 750x750 мм и толщине 30 мм антенная решетка той же конструкции имеет коэффициент полезного дейс-твия 0, 72 и коэффициент усиления 38, 8дБ в том же диапазоне частот.