Компактный двухдиапазонный коаксиальный облучатель с существенным частотным разнесением

Введение

Рефлекторные антенные системы, работающие одновременно в нескольких частотных диапазонах, по-прежнему представляют особый интерес [1–6]. Обычно облучатели имеют частотное разнесение не более 5:1, в настоящей работе описывается модель компактного двухдиапазонного коаксиального облучателя, который имеет частотное разнесение 10:1.

Диапазонные свойства рефлекторных антенн в основном определяются диапазонными характеристиками излучения облучателя. Наиболее важное требование при разработке двухдиапазонного облучателя — это совпадение фазовых центров для разных частотных диапазонов. Немаловажно, чтобы в каждом частотном диапазоне облучатель имел осесимметричные диаграммы направленности (ДН) равной ширины в вертикальной (Е) и горизонтальной (Н) плоскостях, низкий уровень бокового и кросс-поляризационного излучения, а также равенство ширин ДН в двух частотных диапазонах.

В качестве облучателя в СВЧ-диапазоне используется коаксиальный рупор [4, 5, 7, 8], а в КВЧ диапазоне — конический рупор [9–12]. В коаксиальном рупоре сантиметрового диапазона установлена диэлектрическая вставка с воздушным зазором, благодаря которой формируется ДН с равной шириной в E‑ и H‑плоскостях [5, 7]. Для уменьшения уровня бокового и кросс-поляризационного излучения конического рупора миллиметрового диапазона применяются две четвертьволновые короткозамкнутые кольцевые канавки [11, 12].

Коаксиальный и конический рупоры возбуждаются волной типа H11 в коаксиальном и круглом волноводе соответственно. Электрические поля в двух рупорах имеют общую плоскость поляризации. Волна типа H11 в коаксиальном волноводе возбуждается с помощью специального коаксиально-волноводного перехода (КВП) [8, 13, 14], который обеспечивает хорошее подавление ТЕМ-волны и волн высшего типа. Волна типа H11 в круглом волноводе возбуждается с помощью плавного перехода от прямоугольного волновода [13].

Расчеты характеристик двухдиапазонного облучателя проводились в программной среде CST Microwave Studio. В статье представлены основные характеристики излучения в двух частотных диапазонах. Рассматривается вопрос улучшения согласования и расширения рабочей полосы облучателя в СВЧ-диапазоне.

Модель двухдиапазонного коаксиального облучателя

В основе конструкции двухдиапазонного облучателя лежит идея размещения в центральном проводнике коаксиального рупора сантиметрового диапазона конического рупора и тракта миллиметрового диапазона. Продольное сечение двухдиапазонного облучателя совместно с фидерным трактом представлено на рис. 1. Коаксиальный рупор возбуждается волной типа H11 в коаксиальном волноводе, а конический рупор — волной типа H11 в круглом волноводе. Электромагнитные поля, возбуждаемые в рупорах сантиметрового и миллиметрового диапазона, имеют общую плоскость поляризации. Первостепенным условием при выборе геометрических размеров (диаметр раскрыва и длина рупора) коаксиального и конического рупоров является совпадение их фазовых центров. Вторичным условием — примерное равенство ширин ДН в двух частотных диапазонах.

Рис. 1. Продольное сечение двухдиапазонного облучателя

Внутренний и внешний диаметр коаксиального волновода выбраны из условия распространения волны типа Н11. Волны типа H11 в коаксиальном рупоре возбуждается с помощью прямоугольного волновода, расположенного вдоль оси коаксиального волновода [8, 13, 14]. Данная конструкция КВП обеспечивает высокий уровень возбуждения волны Н11 в коаксиальном волноводе, а основной тип волны (Т‑волна) и волны высшего типа практически не возбуждаются. Волны типа H11 в коническом рупоре возбуждается с помощью плавного перехода от прямоугольного сечения волновода к круглому.

Внутри коаксиального волновода могут одновременно возбуждаться две ортогональные линейно поляризованные волны Н11. Для подавления волны с горизонтальной поляризацией в горизонтальной плоскости (X0Z) установлены тонкие металлические пластинки, расположенные в области пересечения прямоугольного волновода и коаксиального волновода и имеющие электрический контакт с внутренним и внешним проводником коаксиального волновода, а также с короткозамкнутой стенкой на торце коаксиального волновода. Изменяя длину металлических пластинок и положение короткозамкнутой стенки, можно добиться подавления волны Н11 с нежелательной поляризацией более 40 дБ.

Для улучшения согласования металлические пластинки в работе [14] имеют на краю клинообразную форму. В результате компьютерного моделирования было выяснено, что использование пластинок такой же площади, но прямоугольной формы на краю не приводит к ощутимому ухудшению согласования. Пластинки прямоугольной формы легче изготовить, и отсутствие острых углов повышает электропрочность КВП в целом. Для достижения более широкополосного согласования посередине широкой стенки прямоугольного волновода вблизи места соединения с коаксиальным волноводом можно установить емкостной штырь. Использование двух штырей, как описано в работе [14], приводит к тем же результатам, что и один штырь большей длины. Настройка КВП одним емкостным штырем очевидно проще.

В раскрыве коаксиального рупора сантиметрового диапазона установлена диэлектрическая вставка, имеющая воздушный зазор с внешним проводником [2, 7]. Наличие зазора приводит к возбуждению волны типа Е11, которая накладывается на волну типа H11, и таким образом формируется гибридная волна. Варьируя ширину зазора w, подбирают такое амплитудное и фазовое распределение поля, которое обеспечивает формирование ДН с равной шириной в E‑ и H‑плоскостях. В качестве одного из критериев выбора значения ширины зазора w необходимо учитывать уровень кросс-поляризационной составляющей. Для уменьшения уровня бокового и кросс-поляризационного излучения конического рупора миллиметрового диапазона используются две четвертьволновые короткозамкнутые кольцевые канавки [11, 12].

Результаты компьютерного моделирования

Моделирование и расчет характеристик двухдиапазонного облучателя совместно с фидерным трактом проводились в программном пакете CST Microwave Studio с точностью λ/10 и λ/60 для сантиметрового и миллиметрового диапазонов соответственно. Для достижения наилучших результатов был использован алгоритм оптимизации модели.

Рис. 2. Характеристики излучения двухдиапазонного облучателя в миллиметровом диапазоне:
( — ) — ДН в горизонтальной плоскости,
( — — ) — ДН в вертикальной плоскости,
( ••• ) — уровень кросс-поляризации

По результатам моделирования расхождение фазовых центров вдоль оси излучения рупоров сантиметрового и миллиметрового диапазонов не превышает 0,1 мм. ДН двухдиапазонного облучателя в вертикальной и горизонтальной плоскостях для сантиметрового и миллиметрового диапазона представлены на рис. 2 и 3 соответственно. В каждом частотном диапазоне расхождение по ширине ДН в E‑ и H‑плоскостях по уровню –10 дБ не более 1,5°. Между частотными диапазонами расхождение по ширине ДН по уровню –10 дБ не более 5°. На этих же графиках построены кросс-поляризационные диаграммы рупоров в Е‑плоскости. Максимальный уровень кросс-поляризации не превышает величины –30 дБ в СВЧ-диапазоне и –20 дБ в КВЧ-диапазоне.

Рис. 3. Характеристики излучения двухдиапазонного облучателя в сантиметровом диапазоне:
( — ) — ДН в горизонтальной плоскости,
( — — ) — ДН в вертикальной плоскости,
( ••• ) — уровень кросс-поляризации

Величина коэффициента передачи КВП для ТЕМ-волны и волн высшего типа не превышает уровня –50 дБ в рабочем диапазоне частот. В сантиметровом диапазоне для облучателя без емкостного штыря было получено значение КСВ 1,05 на центральной частоте и не более 1,4 в диапазоне частот ±0,2 ГГц. Использование емкостного штыря позволяет расширить рабочую полосу и получить КСВ не более 1,4 в диапазоне ±0,35 ГГц, но на центральной частоте значение ухудшается до 1,2. В миллиметровом диапазоне КСВ облучателя не превышает значения 1,05 в рабочем диапазоне частот.

Заключение

В работе детально разобрана конструкция двухдиапазонного облучателя и фидерного тракта. Предложенная конструкция отличается небольшими габаритами. Двухдиапазонный облучатель имеет в обоих частотных диапазонах отличные характеристики излучения и согласования и может использоваться в различных антенных системах оптического типа.