RU2680110C1

RU2680110C1 - Elliptical polarization antenna

Info

Publication number: RU2680110C1
Application number: RU2018119352A
Authority: RU
Inventors: Владимир Павлович Бычков; Юрий Абрамович Гуревич; Петр Иванович Гусеев
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2019-02-15

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: antenna includes a cavity resonator containing a cylindrical waveguide and a base overlapping the first end of the waveguide, and a metal disk located inside the resonator with a gap relative to the waveguide and connected to the base with a rectangular metal plate. Inner conductor of the coaxial line is connected to the disk near its edge. In accordance with the invention, the disk is provided with a rim with a height of at least 0.07 λ, passed along the edge of the disk on its side facing the base of the resonator, and the width of the said metal plate is 28–38 % smaller than the diameter of the disk. Second end of the waveguide is covered with a metal partition, equipped with a cross-shaped slit formed by four slots, made in the form of a combination of circular sectors symmetrical with respect to the axis of the waveguide with a central angle from 35 to 45 degrees and coaxially with a small hole. In addition, the antenna is equipped with a metal reflector, made in the form of a truncated cone-shaped form. Lateral surface of the reflector is made in the form of successively placed concentric grooves oriented along the axis of the waveguide and separated from each other by thin edges coaxially with the axis of the waveguide. Two antennas made in accordance with the invention make it possible to ensure stable radio communication between the spacecraft and the ground station in any orientation of the spacecraft relative to the ground station.EFFECT: development of a space radiocommunication antenna, emitting or receiving electromagnetic waves of elliptical polarization in a wide frequency band, forming near-axisymmetric amplitude and polarization radiation patterns with increased gain and ellipticity values in the polar angle plane θ=90 degrees.3 cl, 14 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, а именно к щелевым антеннам эллиптической поляризации со слабонаправленной диаграммой направленности, предназначенным для использования в космической технике и в других радиолиниях связи между подвижными объектами, когда изменяется взаимная ориентация антенн.The invention relates to antenna technology, namely to elliptical polarized slot antennas with a weakly directed radiation pattern, intended for use in space technology and in other radio links between moving objects when the relative orientation of the antennas changes.

Из уровня техники известны микрополосковые и щелевые слабонаправленные антенны эллиптической поляризации, предназначенные для использования в системах связи с подвижными объектами.The prior art microstrip and slotted weakly directional antennas of elliptical polarization, intended for use in communication systems with moving objects.

Микрополосковые антенны, предложенные в авторских свидетельствах СССР №1775743 и 1580469, патенте РФ №2601215, заявке ФРГ 10027512, содержат металлический диск, размещенный над экраном, возбуждаются одним зондом. Эллиптическая поляризация в этих антеннах формируется благодаря асимметрии полосковой структуры и соответствующему выбору точки подключения зонда. Однако при этом следует отметить, что при значениях полярного угла, близких к 90°, поляризация вырождается в линейную, а коэффициент усиления антенны существенно снижается. Кроме того, рассматриваемые антенны не являются широкополосными. В таких антеннах также не рассматривается возможность повышения коэффициента усиления при полярных углах, близких к 90°.The microstrip antennas proposed in the USSR copyright certificates No. 1775743 and 1580469, RF patent No. 2601215, application FRG 10027512, contain a metal disk located above the screen, are excited by one probe. The elliptical polarization in these antennas is formed due to the asymmetry of the strip structure and the corresponding choice of the connection point of the probe. However, it should be noted that at polar angles close to 90 °, the polarization degenerates into a linear one, and the antenna gain decreases significantly. In addition, the antennas in question are not broadband. In such antennas, the possibility of increasing the gain at polar angles close to 90 ° is also not considered.

Известны антенны эллиптической поляризации (см., например, авторское свидетельство СССР 234479, патенты США 5010348, 4743918), содержащие отрезок круглого волновода, внутри которого возбуждается волна эллиптической поляризации. Такие антенны являются широкополосными, но для устройства, предложенного в патенте США 5010348 и для одной из разновидностей устройства, предложенного в патенте США 4743918, дополнительно требуется равноамплитудный квадратурный делитель мощности. Антенна, предложенная в авторском свидетельстве СССР 234479, имеет сравнительно большие продольные размеры - не меньше, чем 2 длины волны на средней частоте диапазона.Antennas of elliptical polarization are known (see, for example, USSR copyright certificate 234479, US patents 5010348, 4743918) containing a segment of a circular waveguide inside which an elliptical polarization wave is excited. Such antennas are broadband, but for the device proposed in US patent 5010348 and for one of the varieties of the device proposed in US patent 4743918, an equal-amplitude quadrature power divider is additionally required. The antenna, proposed in USSR author's certificate 234479, has a relatively large longitudinal dimension — no less than 2 wavelengths at the mid-range frequency.

Известна щелевая антенна (см. патент РФ №2474933), в которой имеется крестообразная щель, возбуждаемая пространственным устройством распределения фазы и амплитуды, представляющим собой проводящую спираль, навитую на диэлектрический цилиндр, запитываемую через РЧ - соединитель от коаксиальной линии и расположенную внутри круглого волновода. Данная антенна обладает близкой к осесимметричной диаграммой направленности. Значение коэффициента эллиптичности при значениях полярного угла, близких к 90°, превышает соответствующие значения у упомянутых выше антенн. Однако конструкция пространственного устройства распределения амплитуды и фазы содержит несколько разнородных компонентов, включая диэлектрик, в устройстве неизбежно применение паяных соединений, что существенно уменьшает надежность всей антенны. Также в этой конструкции не рассматривается возможность увеличения коэффициента усиления антенны на границе передней полусферы.A slot antenna is known (see RF patent No. 2474933), in which there is a cross-shaped slot excited by a spatial phase and amplitude distribution device, which is a conductive spiral wound on a dielectric cylinder, fed through an RF connector from a coaxial line and located inside a circular waveguide. This antenna has a close to axisymmetric radiation pattern. The ellipticity coefficient at polar angles close to 90 ° exceeds the corresponding values for the antennas mentioned above. However, the design of the spatial device for the distribution of amplitude and phase contains several heterogeneous components, including a dielectric, soldered joints are inevitably used in the device, which significantly reduces the reliability of the entire antenna. Also, this design does not consider the possibility of increasing the antenna gain at the front hemisphere boundary.

Известна щелевая антенна, содержащая резонатор, закрытый перегородкой с крестообразной щелью (см. патент РФ №2386199), лишенная недостатков, связанных с использованием диэлектрика и сложностью конструкции. Данная антенна работает в широкой полосе частот, но ее диаграмма направленности не обладает высокой осевой симметрией. Кроме того, в антенне не рассматривается возможность обеспечить повышенное значение коэффициента усиления при величине полярного угла, близкой к 90°, а наличие в конструкции настроечного элемента вносит дополнительную асимметрию в диаграмму направленности и может создать проблемы при компоновке антенно-фидерной системы.Known slot antenna containing a cavity, closed by a partition with a cross-shaped slit (see RF patent No. 2386199), devoid of the disadvantages associated with the use of a dielectric and the complexity of the design. This antenna operates in a wide frequency band, but its radiation pattern does not have high axial symmetry. In addition, the antenna does not consider the possibility of providing an increased value of the gain at a polar angle close to 90 °, and the presence of a tuning element in the design introduces additional asymmetry in the radiation pattern and can create problems in the layout of the antenna-feeder system.

Из патента РФ №2427947 известна антенна, включающая возбуждающий элемент и рупорную насадку. Антенна выполнена в виде сочетания резонаторной щелевой антенны и содержит отражатель, форма которого позволяет реализовать диаграмму направленности, удовлетворяющую заданным требованиям по зависимости коэффициента усиления от полярного угла. Резонатор данной антенны не содержит диэлектрика. Недостатком данной антенны, ограничивающим ее использование в системах космической связи, является то, что она работает на линейной поляризации.From the patent of the Russian Federation No. 2427947, an antenna is known that includes an exciting element and a horn nozzle. The antenna is made in the form of a combination of a resonant slot antenna and contains a reflector, the shape of which allows one to realize a radiation pattern that meets the specified requirements for the dependence of the gain on the polar angle. The resonator of this antenna does not contain a dielectric. The disadvantage of this antenna, limiting its use in space communication systems, is that it operates on linear polarization.

Из авторских свидетельств СССР 1390667, 139667, 140983, патентов РФ №140983 U1, 2032256 известны антенны, содержащие отражатели, выполненные в виде последовательно размещенных концентрических канавок прямоугольного в поперечном сечении профиля и ориентированных вдоль оси антенны. Такие антенны являются широкополосными, формируют близкую к осесимметричной диаграмму направленности. Однако конфигурация канавок, используемая в этих антеннах, реализует последовательное смещение донных площадок канавок и вершин, разделяющих канавки ребер в направлении передней полусферы антенны, что не предполагает формирование слабонаправленной диаграммы направленности и обусловливает использование таких антенн в качестве направленных, либо как облучателей зеркальных антенн.From the copyright certificates of the USSR 1390667, 139667, 140983, patents of the Russian Federation No. 140983 U1, 2032256, antennas are known containing reflectors made in the form of successive concentric grooves of a rectangular profile in cross section and oriented along the antenna axis. Such antennas are broadband, form close to an axisymmetric radiation pattern. However, the configuration of the grooves used in these antennas implements sequential displacement of the bottom areas of the grooves and the vertices separating the grooves of the ribs in the direction of the front hemisphere of the antenna, which does not imply the formation of a weakly directed radiation pattern and determines the use of such antennas as directional or as irradiators of mirror antennas.

Ближайшим аналогом изобретения является антенна, известная из патента РФ №2096872 (МПК H01Q 13/18, опубл. 20.11.1997). В соответствии с этим патентом антенна включает объемный резонатор, металлический диск, прямоугольную металлическую пластину и питающую коаксиальную линию.The closest analogue of the invention is the antenna, known from the patent of the Russian Federation No. 2096872 (IPC H01Q 13/18, publ. 20.11.1997). In accordance with this patent, the antenna includes a cavity resonator, a metal disk, a rectangular metal plate and a supply coaxial line.

Объемный резонатор этого решения выполнен в виде осесимметричного отрезка нерегулярного волновода - усеченного конуса, первый торец которого перекрыт металлическим основанием. Металлический диск расположен внутри резонатора вблизи его второго торца с зазором относительно его стенок с образованием кольцевой щели между диском и волноводом. Диск ориентирован параллельно основанию резонатора и расположен ему соосно.The volume resonator of this solution is made in the form of an axisymmetric segment of an irregular waveguide - a truncated cone, the first end of which is blocked by a metal base. A metal disk is located inside the resonator near its second end with a gap relative to its walls with the formation of an annular gap between the disk and the waveguide. The disk is oriented parallel to the base of the resonator and is located coaxially to it.

Диск закреплен на основании резонатора через прямоугольную пластину с обеспечением электрической связи основания резонатора и диска. Прямоугольная пластина расположена перпендикулярно основанию резонатора и ориентирована вдоль его диаметра - в направлении оси резонатора. В этом изобретении ширина пластины выбрана равной радиусу диска, причем первый боковой торец пластины совмещен с торцом диска.The disk is mounted on the base of the resonator through a rectangular plate with electrical connection between the base of the resonator and the disk. The rectangular plate is perpendicular to the base of the resonator and oriented along its diameter - in the direction of the axis of the resonator. In this invention, the width of the plate is chosen equal to the radius of the disk, with the first side end of the plate aligned with the end of the disk.

Внешний проводник питающей коаксиальной линии электрически соединен с основанием резонатора, а ее внутренний проводник подключен к диску вблизи его края с угловым смещением равным 45 градусов от пластины.The outer conductor of the supply coaxial line is electrically connected to the base of the resonator, and its inner conductor is connected to the disk near its edge with an angular offset of 45 degrees from the plate.

Кроме того, антенна снабжена дополнительно проводящими элементами, один конец каждого из которых соединен с диском, а другой через коммутирующие элементы с основанием резонатора. Помимо этого, антенна снабжена диэлектрической крышкой, которая перекрывает второй торец волновода.In addition, the antenna is equipped with additional conductive elements, one end of each of which is connected to the disk, and the other through the switching elements with the base of the resonator. In addition, the antenna is equipped with a dielectric cap, which overlaps the second end of the waveguide.

Данная антенна эллиптической поляризации имеет малые размеры и благодаря настроечным элементам работает в широкой полосе частот.This elliptical polarization antenna is small and, thanks to the tuning elements, operates in a wide frequency band.

Недостатком этой антенны является то, что при значении полярного угла, равном 90°, максимальное значение неравномерности диаграммы направленности составляет 3 дБ, а минимум коэффициента усиления равен минус 4 дБ. В то же время для слабонаправленных антенн, используемых в системах связи с космическими аппаратами, желательным является требование обеспечения коэффициента усиления не менее минус 1…2 дБ при значении полярного угла, равного 90° в любом азимутальном сечении.The disadvantage of this antenna is that when the polar angle is 90 °, the maximum value of the irregularity of the radiation pattern is 3 dB, and the minimum gain is minus 4 dB. At the same time, for weakly directional antennas used in communication systems with spacecraft, it is desirable to provide a gain of at least minus 1 ... 2 dB with a polar angle of 90 ° in any azimuthal section.

Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением является создание слабонаправленной антенны эллиптической поляризации, широкополосной по коэффициенту стоячей волны по напряжению (КСВН) и по коэффициенту эллиптичности (КЭ) в сочетании с повышенной азимутальной равномерностью амплитудной и поляризационной диаграмм направленности, реализующей повышенные значения коэффициента усиления и коэффициента эллиптичности при значениях полярного угла, близких к 90°.The technical problem solved by the claimed invention is the creation of a weakly directional antenna of elliptical polarization, broadband in the coefficient of the standing wave voltage (VSWR) and in the coefficient of ellipticity (CE) in combination with increased azimuthal uniformity of the amplitude and polarization radiation patterns, which implements increased values of the gain and ellipticity coefficient at polar angles close to 90 °.

Техническая проблема решается следующим образом.The technical problem is solved as follows.

Антенна эллиптической поляризации, как и ближайший аналог, включает объемный резонатор, содержащий осесимметричный отрезок волновода и основание, перекрывающее первый торец волновода, и металлический диск, расположенный внутри резонатора с зазором относительно волновода и ориентированный параллельно его основанию и ему соосно.The elliptical polarization antenna, as well as the closest analogue, includes a cavity resonator containing an axisymmetric segment of the waveguide and a base overlapping the first end of the waveguide, and a metal disk located inside the resonator with a gap relative to the waveguide and oriented parallel to its base and to it coaxially.

Как и ближайший аналог, диск электрически соединен с основанием резонатора прямоугольной металлической пластиной, расположенной перпендикулярно основанию и ориентированной вдоль диаметрального направления диска, причем торец одной из боковых сторон пластины совмещен с краем диска.Like the closest analogue, the disk is electrically connected to the base of the resonator with a rectangular metal plate located perpendicular to the base and oriented along the diametrical direction of the disk, with the end of one of the sides of the plate aligned with the edge of the disk.

Кроме того, антенна содержит питающую коаксиальную линию, внешний проводник которой электрически соединен с основанием резонатора, а внутренний проводник подключен к диску вблизи его края. При этом пластина отвернута от места соединения внешнего проводника с диском на острый угол.In addition, the antenna contains a supply coaxial line, the outer conductor of which is electrically connected to the base of the resonator, and the inner conductor is connected to the disk near its edge. In this case, the plate is turned away from the junction of the external conductor with the disk at an acute angle.

В отличие от ближайшего аналога в изобретении волновод выполнен в виде цилиндра с внутренним диаметром от 0,48λ, до 0,51λ и высотой от 0,45λ до 0,5λ, где λ - здесь и далее длина волны в свободном пространстве на центральной частоте рабочего диапазона частот. Внутри волновода расположен диск на расстоянии от основания резонатора, не превышающем 0,22λ. Диск снабжен бортиком, пропущенным вдоль края диска на его стороне, обращенной к основанию резонатора. Ширина пластины выбрана меньшей диаметра диска на величину от 28 до 38 процентов. Второй торец волновода перекрыт металлической перегородкой, снабженной крестообразной щелью.In contrast to the closest analogue in the invention, the waveguide is made in the form of a cylinder with an inner diameter from 0.48λ to 0.51λ and a height from 0.45λ to 0.5λ, where λ is hereinafter the wavelength in free space at the center frequency of the working frequency range. A disk is located inside the waveguide at a distance from the base of the resonator, not exceeding 0.22λ. The disk is equipped with a rim passed along the edge of the disk on its side facing the base of the resonator. The width of the plate is chosen smaller than the diameter of the disk by a value of from 28 to 38 percent. The second end of the waveguide is blocked by a metal partition provided with a cross-shaped slit.

Выбор ширины пластины и ее отворот от места подключения внутреннего проводника коаксиальной линии к диску обеспечивает возбуждение в резонаторе волны эллиптической поляризации, направление вращения которой определяется направлением поворота пластины.The choice of the width of the plate and its turn from the point of connection of the internal conductor of the coaxial line to the disk provides excitation in the resonator of an elliptical polarization wave, the direction of rotation of which is determined by the direction of rotation of the plate.

Соответствующие указанным выше величинам размеры волновода, расстояние от диска до основания резонатора, обеспечивают согласование резонатора с фидерным трактом. При выходе диаметра резонатора, высоты расположения диска и положения и размеров пластины за указанные пределы в резонаторе не возбуждается волна круговой поляризации и нарушаются условия согласования резонатора с фидерной линией.The dimensions of the waveguide corresponding to the above values, the distance from the disk to the base of the resonator, ensure matching of the resonator with the feeder path. When the diameter of the resonator, the height of the disk and the position and size of the plate go beyond the specified limits, the circular polarized wave is not excited in the resonator and the conditions for matching the resonator with the feeder line are violated.

Выполнение бортика с высотой, превышающей величину 0,07λ, образует совместно с охватывающей его стенкой резонатора короткий участок коаксиального волновода, не позволяющий волнам высших типов, возбуждаемым в резонаторе между основанием и диском, распространяться в область резонатора между диском и перегородкой, где они могут препятствовать оптимальному возбуждению крестообразной щели волной основного типа, ухудшая тем самым характеристики излучения антенны.The implementation of the side with a height exceeding 0.07λ, together with the cavity wall enclosing it, forms a short section of the coaxial waveguide that does not allow the higher types of waves excited in the resonator between the base and the disk to propagate into the cavity between the disk and the partition, where they can interfere optimal excitation of the cruciform slit by the main type wave, thereby impairing the radiation characteristics of the antenna.

При меньшей высоте бортика от указанной величины ухудшается согласование антенны с фидерным трактом и снижается азимутальная равномерность амплитудной и поляризационной диаграмм направленности антенны.At a lower height of the side of the specified value, the matching of the antenna with the feeder path worsens and the azimuthal uniformity of the amplitude and polarization antenna patterns decreases.

Наличие металлической перегородки, снабженной крестообразной щелью в виде комбинации симметричных относительно оси волновода круговых секторов с центральным углом от 35 до 45 градусов и соосного волноводу небольшого отверстия, позволяет расширить диапазон рабочих частот антенны не только по КСВН, но и по КЭ.The presence of a metal partition equipped with a cross-shaped slit in the form of a combination of circular sectors symmetrical with respect to the waveguide axis with a central angle of 35 to 45 degrees and a small hole coaxial with the waveguide allows expanding the operating frequency range of the antenna not only in VSWR, but also in FE.

В сравнении с формой щели, известной из патента РФ №2474933, предлагаемая в изобретении форма щели реализует более близкое к равномерному азимутальное распределение электрических и магнитных токов по внешней поверхности перегородки, что позволяет повысить азимутальную равномерность амплитудной и поляризационной диаграмм направленности.Compared with the shape of the gap, known from RF patent No. 2474933, the shape of the gap proposed in the invention realizes a more uniform azimuthal distribution of electric and magnetic currents on the outer surface of the partition, which improves the azimuthal uniformity of the amplitude and polarization radiation patterns.

Кроме того, указанное размещение перегородки относительно основания и выполнение ее с крестообразной щелью в заявляемом изобретении позволяет увеличить коэффициент усиления и коэффициент эллиптичности при значениях полярного угла, близких к 90.In addition, the indicated placement of the partition relative to the base and its implementation with a cross-shaped slit in the claimed invention allows to increase the gain and the ellipticity coefficient at values of the polar angle close to 90.

В соответствии с изобретением антенна снабжена металлическим отражателем, выполненным в виде усеченной конусообразной формы. Меньшее основание отражателя электрически соединено с основанием резонатора, причем его диаметр равен внешнему диаметру волновода, а боковая поверхность выполнена в виде последовательно размещенных концентрических канавок, ориентированных вдоль оси волновода и отделенных друг от друга тонкими ребрами, соосными оси волновода. Выполнение отражателя в виде усеченной конусообразной формы, боковая поверхность которой выполнена в виде последовательно размещенных концентрических канавок, отделенных друг от друга тонкими ребрами, позволяет реализовать практически однородную в широком диапазоне полярных углов амплитудную диаграмму направленности антенны и близкие к осесимметричным по азимуту амплитудную и поляризационную диаграммы направленности антенны. Кроме того, ребристая поверхность отражателя, выполненная из последовательности канавок и ребер, позволяет избежать существенной деполяризации отраженной волны, что имеет место при использовании отражателя, выполненного с гладкой поверхностью. Это дополнительно повышает значение коэффициента усиления и коэффициента эллиптичности при значениях полярного угла, близких к 90 градусов.In accordance with the invention, the antenna is equipped with a metal reflector made in the form of a truncated conical shape. The smaller base of the reflector is electrically connected to the base of the resonator, and its diameter is equal to the outer diameter of the waveguide, and the side surface is made in the form of successive concentric grooves oriented along the axis of the waveguide and separated from each other by thin ribs coaxial with the axis of the waveguide. The implementation of the reflector in the form of a truncated cone-shaped shape, the side surface of which is made in the form of successive concentric grooves separated by thin ribs, allows the antenna antenna pattern to be practically uniform in a wide range of polar angles and amplitude and polarization radiation patterns close to axisymmetric in azimuth antennas. In addition, the ribbed surface of the reflector, made of a sequence of grooves and ribs, avoids the significant depolarization of the reflected wave, which occurs when using a reflector made with a smooth surface. This further increases the gain and ellipticity values at polar angles close to 90 degrees.

Техническим результатом использования указанных признаков является разработка антенны космической связи, обеспечивающей увеличение минимального значения коэффициента усиления при значении полярного угла, равном 90 градусов, до плюс 0,75 дБ с неравномерностью не более 1,2 дБ, в сочетании с обеспечением минимального значения коэффициента эллиптичности на уровне 0,25. При этом в диапазоне частот 7,6-8,8 ГГц КСВН антенны не превышает величины 1,2, а коэффициент эллиптичности антенны в осевом направлении в диапазоне частот 7,8-8,7 ГГц не меньше 0,7.The technical result of using these features is the development of a space communication antenna that provides an increase in the minimum value of the gain at a polar angle of 90 degrees to plus 0.75 dB with unevenness of not more than 1.2 dB, in combination with ensuring a minimum value of the ellipticity coefficient by level 0.25. Moreover, in the frequency range of 7.6-8.8 GHz, the VSWR of the antenna does not exceed 1.2, and the coefficient of ellipticity of the antenna in the axial direction in the frequency range of 7.8-8.7 GHz is not less than 0.7.

Помимо этого, предлагаемая антенна реализует неравномерность коэффициента усиления по полярному углу, не превышающую 1,4 дБ в интервале полярных углов от 0 до 90 градусов и обеспечивает величину коэффициента эллиптичности не менее 0,7 в интервале полярных углов от 0 до 60 градусов.In addition, the proposed antenna implements a non-uniformity of the gain along the polar angle, not exceeding 1.4 dB in the range of polar angles from 0 to 90 degrees and provides an ellipticity coefficient of at least 0.7 in the range of polar angles from 0 to 60 degrees.

В сравнении с ближайшим аналогом антенна обеспечивает уменьшение неравномерности диаграммы направленности в азимутальной (горизонтальной) плоскости на 1,6 дБ и увеличения коэффициента усиления в направлении горизонта на 4,75 дБ.In comparison with the closest analogue, the antenna provides a reduction in the pattern irregularity in the azimuthal (horizontal) plane by 1.6 dB and an increase in the gain in the horizontal direction by 4.75 dB.

Кроме того, перегородка волновода может быть выполнена в виде усеченного конуса с углом при вершине от 160 до 175 градусов. Такая форма перегородки позволяет дополнительно увеличить коэффициент усиления антенны в области полярных углов, близких к 90°.In addition, the waveguide partition can be made in the form of a truncated cone with an angle at the apex from 160 to 175 degrees. This shape of the partition allows you to further increase the antenna gain in the region of polar angles close to 90 °.

Пластина и один из секторов крестообразной щели могут быть отвернуты от места подключения внутреннего проводника питающей коаксиальной линии к диску в противоположных направлениях, причем пластина может быть отвернута от места подключения внутреннего проводника питающей коаксиальной линии к диску на угол от 40 до 50 градусов, а ось симметрии одного из секторов крестообразной щели - на угол в пределах от 21 до 23 градусов. Указанные диапазоны углов поворота позволяют реализовать уменьшение неоднородности амплитудной и поляризационной диаграмм направленности по азимуту.The plate and one of the sectors of the cross-shaped slit can be turned away from the point of connection of the internal conductor of the supply coaxial line to the disk in opposite directions, the plate can be turned away from the point of connection of the internal conductor of the supply coaxial line to the disk by an angle of 40 to 50 degrees, and the axis of symmetry one of the sectors of the cruciform fissure - at an angle in the range from 21 to 23 degrees. The indicated ranges of rotation angles make it possible to reduce the heterogeneity of the amplitude and polarization radiation patterns in azimuth.

Выполнение всех элементов антенны из металлических материалов позволяет использовать антенну в космических аппаратах для исследования Солнца с близкого расстояния, когда температура антенны может достигать 600 градусов С.The implementation of all elements of the antenna from metal materials allows you to use the antenna in spacecraft to study the Sun from close range, when the temperature of the antenna can reach 600 degrees C.

Изобретение иллюстрируется следующими материалами:The invention is illustrated by the following materials:

- на фиг. 1 представлен общий вид антенны в аксонометрии со стороны передней полусферы,- in FIG. 1 shows a General view of the antenna in a perspective view from the front hemisphere,

- на фиг. 2 представлен вид антенны спереди (вид В с фиг. 1),- in FIG. 2 shows a front view of the antenna (view B from FIG. 1),

- на фиг. 3 представлена схема антенны в соответствии с разрезом Г-Г с фиг. 2,- in FIG. 3 is a diagram of an antenna in accordance with a section G-D of FIG. 2

- на фиг. 4 показано размещение внутреннего проводника коаксиальной линии в сквозном канале антенны (сечение А-А с фиг. 3),- in FIG. 4 shows the placement of the inner conductor of the coaxial line in the through channel of the antenna (section AA in FIG. 3),

- на фиг. 5 представлена схема взаимного расположения пластины относительно внутреннего проводника коаксиальной линии (фрагмент разреза Б-Б с фиг. 3),- in FIG. 5 shows a diagram of the relative position of the plate relative to the inner conductor of the coaxial line (a fragment of section BB of FIG. 3),

- на фиг. 6 представлено взаимное расположение пластины относительно оси волновода и диска в продольном сечении антенны (сечение Д-Д с фиг. 5),- in FIG. 6 shows the relative position of the plate relative to the axis of the waveguide and the disk in the longitudinal section of the antenna (section DD from FIG. 5),

- на фиг. 7 представлена конструктивная схема крестообразной щели (вид Е с фиг. 3) в сочетании со схемой взаимного расположения крестообразной щели пластины относительно внутреннего проводника коаксиальной линии,- in FIG. 7 is a structural diagram of a cross-shaped slit (view E of FIG. 3) in combination with a mutual arrangement of the cross-shaped slit of the plate relative to the inner conductor of the coaxial line,

- на фиг. 8 представлена схема канавок отражателя и их взаимного расположения относительно второго торца резонатора,- in FIG. 8 shows a diagram of the grooves of the reflector and their relative position relative to the second end of the resonator,

- на фиг. 9 представлена зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) от частоты,- in FIG. 9 shows the dependence of the standing wave coefficient by voltage (VSWR) on frequency,

- на фиг. 10 представлена зависимость коэффициента эллиптичности антенны от частоты,- in FIG. 10 shows the dependence of the coefficient of ellipticity of the antenna on frequency,

- на фиг. 11 представлен график амплитудной диаграммы направленности антенны в плоскости, образованной продольной и поперечной осями антенны,- in FIG. 11 is a graph of an amplitude antenna radiation pattern in a plane formed by the longitudinal and transverse axes of the antenna,

- на фиг. 12 представлен график поляризационной диаграммы направленности антенны в плоскости, образованной продольной и поперечной осями антенны,- in FIG. 12 is a graph of a polarization antenna pattern in a plane formed by the longitudinal and transverse axes of the antenna,

- на фиг. 13 представлен график амплитудной диаграммы направленности антенны в плоскости горизонта,- in FIG. 13 is a graph of an amplitude antenna radiation pattern in the horizon plane,

-на фиг. 14 представлен график поляризационной диаграммы направленности антенны в плоскости горизонта.FIG. 14 is a graph of the polarization pattern of the antenna in the horizon.

В представленных материалах элементы антенны обозначены следующими позициями:In the presented materials, the antenna elements are indicated by the following positions:

1 волновод,1 waveguide

10 ось волновода,10 axis of the waveguide,

11 поперечная ось антенны,11 transverse axis of the antenna,

13 второй торец волновода,13 the second end of the waveguide,

2 основание,2 base

3 диск,3 disk

31 кольцевой бортик диска,31 ring disk side,

41 внутренний проводник коаксиальной линии,41 inner conductor of the coaxial line,

42 внешний проводник коаксиальной линии,42 external conductor of the coaxial line,

43 зонд,43 probe

5 прямоугольная пластина,5 rectangular plate,

51 ось симметрии пластины в поперечном сечении (см. фиг. 5),51 axis of symmetry of the plate in cross section (see Fig. 5),

52 ось симметрии пластины в продольном сечении (см. фиг. 6),52 the axis of symmetry of the plate in longitudinal section (see Fig. 6),

6 перегородка,6 partition,

61 крестообразная щель,61 cruciform fissure,

62 центральное отверстие перегородки,62 central baffle hole,

63 ось симметрии сектора крестообразной щели (см. фиг. 6),63 axis of symmetry of the sector of the cruciform slit (see Fig. 6),

7 отражатель,7 reflector,

71, 72, 73, 74, 75, 76 первая, вторая, третья, четвертая, пятая, шестая канавка соответственно,71, 72, 73, 74, 75, 76 first, second, third, fourth, fifth, sixth groove, respectively,

711, 721, 731, 741, 751, 761 ребро первой, второй, третьей, четвертой, пятой, шестой канавки соответственно,711, 721, 731, 741, 751, 761 ribs of the first, second, third, fourth, fifth, sixth grooves respectively

77 сквозной канал.77 through channel.

Для определенности в описании взаимного расположения элементов продольной осью антенны условимся считать продольную ось 10 волновода 1 резонатора антенны. Поперечной осью 11 антенны условимся считать ось, перпендикулярную оси волновода 10 и пересекающую ось внутреннего проводника коаксиальной линии, а ее положительным направлением - направление от оси волновода 10 к точке подключения внутреннего проводника к диску.For definiteness, in the description of the relative positions of the elements, the longitudinal axis of the antenna is agreed to consider the longitudinal axis 10 of the waveguide 1 of the antenna resonator. We shall consider the transverse axis 11 of the antenna to be the axis perpendicular to the axis of the waveguide 10 and intersecting the axis of the inner conductor of the coaxial line, and its positive direction to be the direction from the axis of the waveguide 10 to the point of connection of the inner conductor to the disk.

Без ограничения общности условимся:Without loss of generality, we agree:

- терминами «внешний» и «внутренний» обозначать элементы или поверхности конструктивных элементов антенны, которые расположены дальше или ближе к продольной оси 10 антенны в поперечном сечении (за исключением элементов коаксиальной линии 41, 42),- the terms "external" and "internal" to denote the elements or surfaces of the structural elements of the antenna, which are located further or closer to the longitudinal axis 10 of the antenna in cross section (with the exception of the elements of the coaxial line 41, 42),

- плоскостью горизонта или азимутальной плоскостью обозначать плоскость большего основания отражателя 7 антенны (см. фиг. 8),- the horizon plane or the azimuthal plane designate the plane of the larger base of the reflector 7 of the antenna (see Fig. 8),

- полярным углом (9) считать угол, отсчитываемый от оси волновода 10 до луча, проведенного из центра большего основания отражателя, как показано на фиг. 8,- consider the angle measured from the axis of the waveguide 10 to the beam drawn from the center of the larger base of the reflector as the polar angle (9), as shown in FIG. 8,

- азимутальным углом (ϕ) считать угол, отсчитываемый в плоскости горизонта от поперечной оси 11 против часовой стрелки при наблюдении со стороны передней полусферы антенны (см. фиг. 5, 7).- the azimuthal angle (ϕ) is the angle counted in the horizontal plane from the transverse axis 11 counterclockwise when observed from the front hemisphere of the antenna (see Fig. 5, 7).

В целях однозначного понимания, условимся коэффициент эллиптичности определять по соотношению:For the purposes of unambiguous understanding, we agree on the ellipticity coefficient to be determined by the ratio:

где А_осн и А_кросс - амплитуды кругополяризованных волн основной и кросс - поляризаций соответственно.where A _osn and A _cross are the amplitudes of the circularly polarized waves of the main and cross polarizations, respectively.

Заявляемая антенна устроена следующим образом.The inventive antenna is arranged as follows.

В соответствии с изобретением антенна (см. фиг. 1, 2, 3) включает объемный резонатор, металлический диск 2 и питающую коаксиальную линию.In accordance with the invention, the antenna (see Fig. 1, 2, 3) includes a cavity resonator, a metal disk 2 and a supply coaxial line.

Объемный резонатор содержит выполненный в виде цилиндра волновод 1 и основание 2, перекрывающее первый торец волновода. Волновод 1 выполнен в виде цилиндра с внутренним диаметром 0,48λ до 0,51λ и высотой от 0,45λ, до 0,5λ.The volume resonator comprises a waveguide 1 made in the form of a cylinder and a base 2 overlapping the first end of the waveguide. The waveguide 1 is made in the form of a cylinder with an inner diameter of 0.48λ to 0.51λ and a height of 0.45λ to 0.5λ.

Металлический диск 3 расположен внутри волновода 1 с зазором 5 (см. фиг. 5) относительно его внутренней стенки с образование круговой щели между диском 3 и внутренней поверхностью волновода 1. Величина зазора 5 должна удовлетворять соотношению:The metal disk 3 is located inside the waveguide 1 with a gap 5 (see Fig. 5) relative to its inner wall with the formation of a circular gap between the disk 3 and the inner surface of the waveguide 1. The size of the gap 5 must satisfy the relation:

где R - внутренний радиус волновода, а λ_max - длина волны на нижней частоте рабочего диапазона.where R is the internal radius of the waveguide, and λ _max is the wavelength at the lower frequency of the operating range.

Диск 3 ориентирован параллельно основанию 2 резонатора соосно оси 10 волновода. В соответствии с изобретением диск 3 расположен на расстоянии

, не превышающим 0,22λ, от основания 2 резонатора (см. фиг. 6). В наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения расстояние от диска 3 до основания 2 целесообразно выбрать большим величины 0,18λ.The disk 3 is oriented parallel to the base 2 of the resonator coaxially to the axis 10 of the waveguide. In accordance with the invention, the disk 3 is located at a distance

not exceeding 0.22λ from the base 2 of the resonator (see Fig. 6). In the most preferred embodiment, the distance from the disk 3 to the base 2, it is advisable to choose a large value of 0.18λ.

Диск 3 электрически соединен с основанием 2 резонатора прямоугольной металлической пластиной 5, расположенной перпендикулярно основанию 2. Пластина 5 ориентирована вдоль диаметрального направления диска - как показано на фиг. 5, 6, 7, ось 10 волновода 1 расположена в плоскости симметрии 51 пластины 5 в поперечном сечении резонатора. В соответствии с изобретением ширина S металлической пластины 5 (см. фиг. 6) выбрана меньшей диаметра диска на 28-38 процентов, причем торец одной из боковых сторон пластины 5 совмещен с краем диска 3, как показано на фиг. 5, 6, за счет чего ось симметрии 52 пластины 5 в продольном сечении расположена со смещением относительно оси волновода 10.The disk 3 is electrically connected to the base 2 of the resonator with a rectangular metal plate 5 located perpendicular to the base 2. The plate 5 is oriented along the diametrical direction of the disk — as shown in FIG. 5, 6, 7, the axis 10 of the waveguide 1 is located in the symmetry plane 51 of the plate 5 in the cross section of the resonator. According to the invention, the width S of the metal plate 5 (see FIG. 6) is selected to be 28-38 percent smaller than the diameter of the disk, with the end of one of the sides of the plate 5 aligned with the edge of the disk 3, as shown in FIG. 5, 6, due to which the axis of symmetry 52 of the plate 5 in a longitudinal section is located with an offset relative to the axis of the waveguide 10.

В соответствии с изобретением диск 3 снабжен прямоугольным в сечении бортиком 31 высотой не менее 0,07λ, пропущенным вдоль края диска 3 на его стороне, обращенной к основанию 2 резонатора (см. фиг. 3, 6). В наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения высоту бортика целесообразно выбрать близкой к 0,075λ. Ширина бортика - его размер в поперечном сечении резонатора, может быть выбрана из диапазона от 0,017λ до 0,020λ. Как показано на фиг. 3, 5, бортик 31 пропущен по краю диска 3 за исключением места расположения соединения с диском пластины 5 и места крепления к диску 3 зонда 43 питающей коаксиальной линии.In accordance with the invention, the disk 3 is provided with a rectangular cross-section 31 with a height of at least 0.07λ, passed along the edge of the disk 3 on its side facing the base 2 of the resonator (see Fig. 3, 6). In the most preferred embodiment of the invention, it is advisable to choose a side height close to 0.075λ. The width of the side - its size in the cross section of the resonator, can be selected from the range from 0.017λ to 0.020λ. As shown in FIG. 3, 5, the side 31 is passed along the edge of the disk 3 except for the location of the connection with the disk of the plate 5 and the place of attachment to the disk 3 of the probe 43 of the supply coaxial line.

В соответствии с изобретением второй торец 13 волновода 1 перекрыт выпуклой металлической перегородкой 6, которая может быть выполнена в виде усеченного конуса с углом при вершине от 160 до 175 градусов. В соответствии с изобретением перегородка 6 снабжена крестообразной щелью 61. Крестообразная щель 61 образована (см. фиг. 7) четырьмя прорезями, выполненными в виде сочетания симметричных круговых секторов, и соосного волноводу 1 отверстия 62. В соответствии с изобретением каждый из секторов крестообразной щели 61 выполнен с центральным углом α, значение которого заключено в пределах от 35 до 45 градусов. Наиболее предпочтительно сектора крестообразной щели в поперечном направлении ограничить дугой с радиусом Rщ величиной 0,18λ-0,20λ. Осевое отверстие 62 в наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения целесообразно выполнить с диаметром Dотв, выбранным из диапазона от 0,039λ до 0,044λ.In accordance with the invention, the second end 13 of the waveguide 1 is covered by a convex metal partition 6, which can be made in the form of a truncated cone with an angle at the apex of 160 to 175 degrees. In accordance with the invention, the partition 6 is provided with a cross-shaped slit 61. A cross-shaped slit 61 is formed (see Fig. 7) by four slots made in the form of a combination of symmetrical circular sectors, and an opening 62 coaxial to the waveguide 1. In accordance with the invention, each of the sectors of the cross-shaped slit 61 made with a central angle α, the value of which is in the range from 35 to 45 degrees. Most preferably, the sectors of the cross-shaped slit in the transverse direction are limited by an arc with a radius Rш of 0.18λ-0.20λ. The axial hole 62 in the most preferred embodiment of the invention, it is advisable to make with a diameter Dot selected from the range from 0,039λ to 0,044λ.

Упомянутая питающая коаксиальная линия (см. фиг. 3) содержит внешний 42 и внутренний 41 проводники. Внешний 42 проводник питающей коаксиальной линии электрически соединен с металлическим отражателем 7 и через него, основание 2 резонатора и пластину 5 электрически соединен с диском 3.Mentioned supply coaxial line (see Fig. 3) contains external 42 and internal 41 conductors. External 42 conductor of the supply coaxial line is electrically connected to and through the metal reflector 7, the resonator base 2 and the plate 5 are electrically connected to the disk 3.

Внутренний 41 проводник питающей коаксиальной линии (см. фиг. 3, 4, 5, 7) ориентирован перпендикулярно диску 3 и через цилиндрический зонд 43 электрически соединен с диском 3. Подключение внутреннего проводника 41 к диску 3 наиболее предпочтительно выполнить, снабдив антенну каналом 77, пропущенным сквозь отражатель и основание 2 резонатора, и поместив в него изолированно от его стенок внутренний проводник 41.The inner conductor 41 of the supply coaxial line (see FIGS. 3, 4, 5, 7) is oriented perpendicular to the disk 3 and is electrically connected through the cylindrical probe 43 to the disk 3. It is most preferable to connect the inner conductor 41 to the disk 3 by providing the antenna with a channel 77, passed through the reflector and the base 2 of the resonator, and placing the inner conductor 41 in it, isolated from its walls.

Как показано на фиг. 3, внешний проводник 42 и расположенный внутри канала 77 внутренний проводник 41 соединены с коаксиальной фидерной линией.As shown in FIG. 3, the outer conductor 42 and the inner conductor 41 located inside the channel 77 are connected to a coaxial feeder line.

В соответствии с изобретением пластина 5 отвернута от точки подключения внутреннего проводника 41 к диску 3 на угол β, заключенный в пределах от 40 до 50 градусов, как показано на фиг. 7. При этом ось симметрии 63 одного из секторов крестообразной щели повернута в противоположном направлении от точки подключения внутреннего проводника 41 на угол ϒ, заключенный в пределах от 21 до 23 градусов.In accordance with the invention, the plate 5 is turned away from the connection point of the inner conductor 41 to the disk 3 by an angle β enclosed in the range of 40 to 50 degrees, as shown in FIG. 7. In this case, the axis of symmetry 63 of one of the sectors of the cross-shaped slit is rotated in the opposite direction from the connection point of the inner conductor 41 by an angle заключ enclosed in the range from 21 to 23 degrees.

В соответствии с изобретением антенна снабжена упомянутым металлическим отражателем 7. Отражатель 7 выполнен в виде усеченной конусообразной формы - формы, образованной разновеликими основаниями и боковой поверхностью, в наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения угол наклона боковой поверхности отражателя к оси 10 волновода может быть выбран из диапазона от 40 до 45 градусов. Меньшее основание отражателя 7 электрически соединено с основанием 2 резонатора, причем диаметр меньшего основания отражателя равен внешнему диаметру волновода 1.In accordance with the invention, the antenna is equipped with said metal reflector 7. The reflector 7 is made in the form of a truncated conical shape — a shape formed by different-sized bases and a side surface, in the most preferred embodiment of the invention, the angle of inclination of the side surface of the reflector to the waveguide axis 10 can be selected from a range from 40 to 45 degrees. The smaller base of the reflector 7 is electrically connected to the base 2 of the resonator, the diameter of the smaller base of the reflector being equal to the outer diameter of the waveguide 1.

Боковая поверхность отражателя 7 выполнена в виде последовательно размещенных круговых ступенек (см. фиг. 8), на которых выполнены концентрические канавки с прямоугольным профилем, которые ориентированы вдоль оси 10 волновода. В наиболее предпочтительном варианте выполнения отражатель 7 может быть снабжен шестью концентрическими канавками 71-76 (см. фиг. 2, 8), отделенными друг от друга тонкими концентрическими ребрами 711, 721, 731, 741, 751, 761, соосными оси 10 волновода (см. фиг. 1, 8).The lateral surface of the reflector 7 is made in the form of sequentially placed circular steps (see Fig. 8), on which concentric grooves with a rectangular profile are made, which are oriented along the axis 10 of the waveguide. In the most preferred embodiment, the reflector 7 may be provided with six concentric grooves 71-76 (see Fig. 2, 8), separated from each other by thin concentric ribs 711, 721, 731, 741, 751, 761, coaxial with the axis 10 of the waveguide ( see Fig. 1, 8).

Наиболее предпочтительно внутренний диаметр первой 71 из канавок - канавки, расположенной на наименьшем в сравнении с другими канавками расстоянии от оси волновода, выбрать равным диаметру волновода 1, как показано на фиг. 3, 8. Наиболее предпочтительно дно первой 71 канавки удалить от второго торца 13 волновода на расстояние L₁, заключенное в пределах от 0,73λ до 0,77λ. Расстояние от донных площадок до второго торца 13 волновода последующих канавок целесообразно увеличивать при переходе к каждой последующей канавки на 0,11-0,21λ. В соответствии с изобретением ширина канавок S₁…S₆ может быть выбрана из диапазона от 0,07 до 0,17λ, а высота ребер H₁…Н₆ канавок при этом может быть выбрана из диапазона от 0,21 до 0,28λ.Most preferably, the inner diameter of the first 71 of the grooves — the grooves located at the smallest distance from the axis of the waveguide compared to other grooves — is chosen to be equal to the diameter of the waveguide 1, as shown in FIG. 3, 8. Most preferably, the bottom of the first groove 71 is removed from the second end 13 of the waveguide by a distance L ₁ comprised between 0.73λ and 0.77λ. The distance from the bottom platforms to the second end 13 of the waveguide of the subsequent grooves, it is advisable to increase during the transition to each subsequent groove by 0.11-0.21λ. In accordance with the invention, the width of the grooves S ₁ ... S ₆ can be selected from the range from 0.07 to 0.17λ, and the height of the ribs H ₁ ... H ₆ grooves can be selected from the range from 0.21 to 0.28λ.

Конкретная геометрия канавок отражателя определяется поверочными расчетами и результатами экспериментальной отработкой антенны.The specific geometry of the reflector grooves is determined by calibration calculations and the results of experimental testing of the antenna.

Антенна работает следующим образом.The antenna works as follows.

Внешний проводник коаксиальной линии, замкнутый через отражатель на резонатор и через пластину на диск, и внутренний проводник коаксиальной линии, замкнутый через зонд, присоединенный к диску, при распространении в коаксиальной линии электромагнитной ТЕМ - волны возбуждают в резонаторе между основанием и диском несколько типов волн, структура основных из которых аналогична структуре волн Е₁₁ и Н₁₁ в круглом коаксиальном волноводе.The external conductor of the coaxial line, closed through the reflector to the resonator and through the plate to the disk, and the internal conductor of the coaxial line, closed through the probe attached to the disk, propagate in the coaxial line of the electromagnetic TEM - waves excite several types of waves in the resonator between the base and the disk, the structure of the main of which is similar to the structure of the waves E ₁₁ and H ₁₁ in a round coaxial waveguide.

При выбранных геометрических параметрах резонатора волна, аналогичная волне Е₁₁ в круглом коаксиальном волноводе, затухает по мере удаления от основания резонатора, однако при этом происходит перераспределение энергии электромагнитного поля в волну основного типа, являющуюся аналогом поляризационно вырожденной волны Н₁₁ в круглом коаксиальном резонаторе.For the selected geometric parameters of the resonator, a wave similar to the E ₁₁ wave in a circular coaxial waveguide attenuates as it moves away from the base of the resonator, however, the electromagnetic field energy is redistributed into the main wave, which is an analog of the polarized degenerate H ₁₁ wave in a circular coaxial resonator.

Пластина, расположенная в резонаторе, снимает поляризационное вырождение и перераспределяет энергию электромагнитного поля в волну круговой поляризации с направлением вращения в соответствии с направлением отворота пластины относительно точки подключения внутреннего проводника коаксиальной линии.The plate located in the resonator removes polarization degeneracy and redistributes the energy of the electromagnetic field into a circularly polarized wave with the direction of rotation in accordance with the direction of the plate lapel relative to the connection point of the internal conductor of the coaxial line.

Бортик, пропущенный вдоль края диска на стороне, обращенной к основанию резонатора, образует совместно с расположенным напротив него цилиндрическим участком стенки резонатора коаксиальный цилиндрический волновод и обеспечивает прохождение через кольцевую щель между диском и стенкой резонатора волны основного типа H₁₁ коаксиального цилиндрического волновода и быстрое затухание высших типов волн.The side, skipped along the edge of the disk on the side facing the base of the resonator, forms, together with the cylindrical section of the cavity wall opposite it, forms a coaxial cylindrical waveguide and allows the coaxial cylindrical waveguide of the main type H ₁₁ to pass through the annular gap between the disk and the wall of the resonator and quickly attenuate higher types of waves.

В результате между диском и перегородкой антенны существует волна круговой поляризации, которая возбуждает крестообразную щель с амплитудным и фазовым распределением, необходимым для излучения в окружающее пространство волны круговой, или, в общем случае, эллиптической поляризации.As a result, a circularly polarized wave exists between the disk and the partition of the antenna, which excites a cruciform slit with the amplitude and phase distribution necessary for radiation of circular, or, in general, elliptical, polarization waves into the surrounding space.

Отражатель антенны с поверхностью, выполненной в виде отделенных друг от друга тонкими ребрами кольцевых канавок, переотражает в окружающее пространство попадающую на него часть электромагнитного излучения крестообразной щели. При этом в кольцевых канавках, являющихся, по сути, открытыми коаксиальными резонаторами, возбуждаются кругополяризованные волны основного типа, которые формируют совокупность излучаемых пространственных гармоник, обеспечивающих, при соответствующем выборе геометрических параметров канавок, равномерность диаграммы направленности антенны по полярному углу и увеличение коэффициента усиления в области полярных углов, близких к 90 градусам.An antenna reflector with a surface made in the form of annular grooves separated from each other by thin ribs reflects the part of the electromagnetic radiation of the cruciform slit falling onto it into the surrounding space. At the same time, circular polarized waves of the main type are excited in the ring grooves, which are, in fact, open coaxial resonators, which form a set of emitted spatial harmonics, which ensure, with an appropriate choice of the geometric parameters of the grooves, the antenna radiation pattern uniformity in the polar angle and the gain in the region polar angles close to 90 degrees.

На фиг. 9-14 представленные результаты расчета характеристик антенны с использованием программы электродинамического моделирования CST-STUDIO. Результаты расчетов показывают эффективность предложенной конструкции антенны для использования в частотном диапазоне от 7,8 до 8.7 ГГц.In FIG. Figures 9-14 show the results of calculating the characteristics of the antenna using the CST-STUDIO electrodynamic simulation program. The calculation results show the effectiveness of the proposed antenna design for use in the frequency range from 7.8 to 8.7 GHz.

В диапазоне 7,8-8,7 ГГц, используемом в радиолиниях космической связи, разработанная конструкция антенны позволяет обеспечить величину коэффициента эллиптичности в осевом направлении более 0,7, а величину коэффициента стоячей волны по напряжению не более 1,16 (см. фиг. 9, 10). Коэффициент усиления антенны в диапазоне полярных углов от 0 до 90 градусов на частоте 8,4 ГГц в любом азимутальном сечении лежит в диапазоне от 0,75 до 2,7 дБ, при этом на большем участке этого диапазона неравномерность коэффициента усиления не превышает 1,8 дБ (см. фиг. 11). В том же диапазоне углов коэффициент эллиптичности не опускается ниже величины 0,27 и его максимальное значение достигает величины 0,95 (см. фиг. 12). В плоскости горизонта (θ=90 градусов, см. фиг. 8) величина коэффициента усиления лежит в пределах от 0,8 до 2дБ (см. фиг. 13), а коэффициент эллиптичности изменяется в пределах от 0,27 до 0,38.In the range of 7.8–8.7 GHz used in space communication radio links, the developed antenna design makes it possible to provide an ellipticity coefficient in the axial direction of more than 0.7, and a standing wave voltage coefficient of not more than 1.16 (see Fig. 9, 10). The antenna gain in the range of polar angles from 0 to 90 degrees at a frequency of 8.4 GHz in any azimuthal cross section lies in the range from 0.75 to 2.7 dB, while in a larger part of this range the gain unevenness does not exceed 1.8 dB (see Fig. 11). In the same range of angles, the ellipticity coefficient does not fall below 0.27 and its maximum value reaches 0.95 (see Fig. 12). In the horizon plane (θ = 90 degrees, see Fig. 8), the magnitude of the gain lies in the range from 0.8 to 2 dB (see Fig. 13), and the ellipticity coefficient varies from 0.27 to 0.38.

Приведенные выше реализованные радиотехнические характеристики антенны позволяют обеспечить устойчивую радиосвязь между КА и наземной станцией при любой ориентации КА относительно наземной антенны при использовании двух таких антенн, установленных на КА и ориентированных в противоположных направлениях. При этом достигнутая равномерность диаграммы направленности и повышенное значение коэффициента усиления и коэффициента эллиптичности антенны в плоскости горизонта позволяют обеспечить значительный запас энергетического потенциала радиолинии.The aforementioned implemented radio technical characteristics of the antenna make it possible to provide stable radio communication between the spacecraft and the ground station for any orientation of the spacecraft relative to the ground antenna using two such antennas mounted on the spacecraft and oriented in opposite directions. At the same time, the uniformity of the radiation pattern and the increased value of the gain and ellipticity of the antenna in the horizontal plane allow us to provide a significant supply of energy potential of the radio line.

Claims

1. The elliptical polarization antenna includes a cavity resonator containing an axisymmetric segment of the waveguide and a base that overlaps the first end of the waveguide,

and a metal disk located inside the resonator with a gap relative to the waveguide, oriented parallel to and coaxial to its base, the disk being electrically connected to the resonator base by a rectangular metal plate located perpendicular to the base and oriented along the diametrical direction of the disk, the end of one of the sides of the plate being aligned with the edge of the disc,

in addition, the antenna includes a supply coaxial line, the outer conductor of which is electrically connected to the base of the resonator, and the inner conductor is connected to the disk near its edge, while the plate is turned away from the junction of the inner conductor with the disk at an acute angle,

characterized in that

the waveguide is made in the form of a cylinder with an internal diameter of from 0.48 to 0.51 λ and a height of from 0.45 to 0.5 λ, where λ is hereinafter the wavelength in free space at the central frequency of the working frequency range,

the disk is located from the base of the resonator at a distance not exceeding 0.22 λ, and is equipped with a rim with a height of at least 0.07 λ, skipped along the edge of the disk on its side facing the base of the resonator,

wherein the width of said metal plate is selected 28-38% smaller than the diameter of the disk,

the second end of the waveguide is covered by a metal partition provided with a cross-shaped slit formed by four slots made in the form of a combination of circular sectors symmetrical about the waveguide axis with a central angle of 35 to 45 degrees and a small hole coaxial to the waveguide,

in addition, the antenna is equipped with a metal reflector made in the form of a truncated conical shape, while the smaller base of the reflector is electrically connected to the base of the resonator, and its diameter is equal to the outer diameter of the waveguide, and the side surface is made in the form of sequentially placed concentric grooves oriented along the axis of the waveguide and separated from each other by thin ribs, coaxial to the axis of the waveguide.

2. The antenna according to claim 1, characterized in that the waveguide partition is made in the form of a truncated cone with an angle at the apex of 160 to 175 degrees.

3. The antenna according to claim 1, characterized in that one of the sectors of the cross-shaped slit is turned away from the connection point of the inner conductor of the supply coaxial line to the disk in the direction opposite to the direction of the plate top, and the plate is turned away from the connection point of the internal conductor of the supply coaxial line to the disk by the angle is from 40 to 50 degrees, and the axis of symmetry of one of the sectors of the cross-shaped slit is at an angle ranging from 21 to 23 degrees.