RU2694156C1

RU2694156C1 - Millimeter wave antenna

Info

Publication number: RU2694156C1
Application number: RU2018142458A
Authority: RU
Inventors: Юрий Евгеньевич Седельников; Мохамед Гурэльдин Мохамед Шаабан; Анастасия Юрьевна Мышкина
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2019-07-09

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention can be used for directed radiation and reception of electromagnetic waves. Essence of the invention consists in the fact that the antenna contains a dielectric rod with two groups of metal conductors installed asymmetrically to the axis of the rod with a pitch equal to half the wavelength in the dielectric waveguide, device for excitation of surface wave in form of E-sector horn, dielectric rod is installed in rectangular waveguide of increased size in E-plane, waveguide is electrically connected to the E-sector horn along the entire perimeter of the waveguide cross-section, in the upper wall of which a slot is cut along the axis of symmetry of the waveguide.

EFFECT: providing the possibility of increasing the antenna efficiency and reducing the level of far sidewalks in the antenna pattern.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике антенн и предназначено для использования в радиотехнических устройствах для излучения электромагнитной энергии.The invention relates to the technique of antennas and is intended for use in radio devices to emit electromagnetic energy.

Известны антенны миллиметровых волн, выполненные на основе диэлектрического волновода, например, согласно АС СССР №1739414, №2517724, №2435260, а также Пат. США №20080303734 и другие. Антенны содержат диэлектрический волновод, устройство связи диэлектрического волновода с входным прямоугольным волноводом. На диэлектрическом волноводе расположены периодически металлические полоски с шагом равным длине волны в диэлектрическом волноводе. Излучение данных антенн обеспечено преобразованием поверхностной волны в диэлектрическом волноводе в объемную волну, происходящим при наличии нерегулярностей в направлении распространения волны (см. например, Oliner А.А., Jacson D.K. Leaky wave antennas. Ch. 11 in Antenna Engeneering Handbook. J.I. Volakis Ed. New York McGraw Hill. 2007 1755 p.Known antenna millimeter waves, made on the basis of a dielectric waveguide, for example, according to the USSR Academy of Sciences No. 1739414, No. 2517724, No. 2435260, as well as Pat. United States №20080303734 and others. Antennas contain a dielectric waveguide, a coupling device for a dielectric waveguide with an input rectangular waveguide. Periodically metal strips with a step equal to the wavelength in the dielectric waveguide are located on the dielectric waveguide. The radiation of these antennas is provided by the conversion of a surface wave in a dielectric waveguide into a body wave, occurring in the presence of irregularities in the direction of wave propagation (see, for example, Oliner AA, Jacson DK Leaky wave antennas. Ch. 11 in Antenna Engeneering Handbook. JI Volakis Ed New York McGraw Hill 2007 1755 p.

Общим недостатком указанных антенн является то, что они являются эквидистантными антенными решетками из излучающих элементов, установленных на расстояниях, равных длине волны в диэлектрическом волноводе, составляющей величину, близкую к длине волны в воздухе: λ_волн=γ⋅λ_возд, где γ<1.1…1.2. В этих случаях в направлениях, близких к осевым имеет место, повышенный уровень боковых лепестков в диаграмме направленности антенны (ДН), обусловленный близостью вторичных максимумов, определяемых условием

A common drawback of these antennas is that they are equidistant arrays of radiating elements placed at distances equal to the wavelength in the dielectric waveguide component value close to the wavelength in the air: λ = γ⋅λ _waves _Sports where γ <1.1 ... 1.2. In these cases, in the directions close to the axial, an increased level of side lobes in the antenna pattern (NF) occurs, due to the proximity of the secondary maxima, determined by the condition

Указанный недостаток устранен в антенне согласно АС СССР №1513546. В антенне металлические полоски установлены асимметрично относительно оси волновода с шагом, равным половине длины волны в волноводе. Недостатком указанных антенн является то, что в устройстве преобразования волны во входном прямоугольном волноводе в поверхностную волну в диэлектрическом волноводе часть энергии излучается, в результате чего возрастает уровень дальних боковых лепестков в направлении противоположном входу антенны (в направлениях, близких направлению распространения поверхностной волны). Частично указанный недостаток устраняется использованием диэлектрических желобковых волноводов, представляющих собой металлический желоб с установленным в нем диэлектрическим стержнем (см., например, В.И. Классен и др. Плоские антенны K_а диапазона для перспективных средств телекоммуникаций. ЭЛЕКТРОСВЯЗЬ ⏐4⏐ 2017 стр. 60).This disadvantage is eliminated in the antenna according to the USSR AS No. 1513546. In the antenna, metal stripes are mounted asymmetrically about the axis of the waveguide with a step equal to half the wavelength in the waveguide. The disadvantage of these antennas is that in a wave conversion device in an input rectangular waveguide into a surface wave in a dielectric waveguide, some of the energy is radiated, resulting in an increase in the level of far side lobes in the direction opposite to the antenna input (in directions close to the propagation direction of the surface wave). Partially said drawback is eliminated using dielectric waveguides flute representing a metal trough with mounted therein dielectric core (see., E.g., V. Klassen et al. Planar antenna _and K range for advanced telecommunications. TELECOMMUNICATIONS ⏐4⏐ 2017 p. 60).

Наиболее близким по технической сущности аналогом является Печатная антенна миллиметровых волн согласно АС СССР №1513546. Антенна содержит желобковый диэлектрический волновод, устройство возбуждения поверхностной волны (переход от прямоугольного волновода к желобковому диэлектрическому волноводу) в виде Е-секториального рупора и две группы металлических полосковых проводников, установленных в шахматном порядке относительно оси диэлектрического волновода с шагом равным половине длины волны в волноводе.The closest to the technical nature of the analogue is a printed antenna of millimeter waves according to the USSR AU No. 1513546. The antenna contains a flute dielectric waveguide, a surface wave excitation device (transition from a rectangular waveguide to a flute dielectric waveguide) in the form of an E-sector horn and two groups of metal strip conductors installed in a staggered manner about the axis of the dielectric waveguide with a step equal to half the wavelength in the waveguide.

Недостатком прототипа является наличие потерь на излучение при преобразовании волны Н₁₀ во входном металлическом волноводе в поверхностную волну, распространяющуюся в желобковом диэлектрическом волноводе. Наличие частичного излучения рупорного устройства возбуждения увеличивает уровень дальнего бокового излучения антенны в направлениях, близких направлению распространения поверхностной волны и снижает коэффициент направленного действия (КНД) антенны.The disadvantage of the prototype is the presence of radiation losses in the conversion of the H ₁₀ wave in the input metal waveguide into a surface wave propagating in a flute dielectric waveguide. The presence of partial radiation from the horn excitation device increases the level of the far side radiation of the antenna in directions close to the direction of propagation of the surface wave and reduces the directional coefficient (KND) of the antenna.

Техническим результатом изобретения является увеличение КНД антенны и снижение уровня дальних боковых лепестков в ДН антенны.The technical result of the invention is to increase the directivity of the antenna and reduce the level of the far side lobes in the antenna DN.

Поставленная задача решается за счет того, что в антенне содержащей диэлектрический стержень с двумя группами металлических проводников, установленных асимметрично относительно оси стержня с шагом, равным половине длины волны в диэлектрическом волноводе и устройство возбуждения поверхностной волны в виде Е-секториального рупора, диэлектрический стержень устанавливается в прямоугольном волноводе с размером в Е плоскости не менее удвоенного значения толщины диэлектрического стержня, электрически соединенным с рупором по всему периметру поперечного сечения волновода, в верхней стенке которого симметрично оси волновода прорезана щель с шириной значительно меньшей размера волновода в Н-плоскости.The problem is solved due to the fact that in the antenna containing a dielectric rod with two groups of metal conductors installed asymmetrically relative to the axis of the rod with a step equal to half the wavelength in the dielectric waveguide and the device for exciting the surface wave in the form of an E-sector horn a rectangular waveguide with a size in the E plane of at least twice the thickness of the dielectric rod electrically connected to the horn throughout the entire Perim A cross section of the waveguide, in the upper wall of which, a slit with a width significantly smaller than the size of the waveguide in the H-plane is cut symmetrically to the axis of the waveguide.

На Фиг. 1 показаны 1 - входной прямоугольный волновод, 2 - соединительный фланец, 3 - рупор, 4 - прямоугольный волновод увеличенного сечения, 5 - щель в верхней стенке прямоугольного волновода, 6 - диэлектрический стержень, 7 - металлические полоски.FIG. 1 shows 1 - input rectangular waveguide, 2 - connecting flange, 3 - horn, 4 - rectangular waveguide of increased section, 5 - slot in the top wall of the rectangular waveguide, 6 - dielectric rod, 7 - metal stripes.

На Фиг. 2 приведены расчетные ДН антенны прототипа и заявляемой антенны, полученные в среде электродинамического моделирования CST Microwave StudioFIG. 2 shows the calculated NAM antenna prototype and the proposed antenna, obtained in the environment of electrodynamic modeling CST Microwave Studio

Работа антенны осуществляется следующим образом. Электромагнитная волна Н₁₀, поступает через входной прямоугольный волновод 2 в Е-секториальный рупор 3, являющимся плавным переходом от волновода стандартного сечения к волноводу с увеличенным размером поперечного сечения в Е- плоскости 4. В диэлектрическом стержне 6 возбуждается поверхностная электромагнитная волна со структурой близкой к волне НЕ₁₀ типа. Электромагнитная энергия распространяется в диэлектрическом стержне и в воздухе в области, практически ограниченной граничным радиусом поля, размеры которого составляют величину порядка удвоенного значения поперечного размера диэлектрического стержня (см. Д.М. Сазонов, А.Н. Гридин, Б.Н. Мишустин Устройства С ВЧ М.: Высшая школа 1981 стр. 210). Поэтому наличие верхней стенки металлического волновода практически не влияет на распространение волны в диэлектрическом стержне, а наличие щели 5 в верхней стенке не приводит к заметному излучению электромагнитных волн указанной структурой. При наличии нерегулярностей в диэлектрическом стержне в виде металлических полосок 7 происходит преобразование поверхностной волны в объемную, возникают электрические токи на верхней стенке волновода. В результате происходит излучение электромагнитной волны через щель 5. Электрическая длина щели выполняется кратной половине длины волны в воздухе. При расположении нерегулярностей в шахматном порядке с шагом равным половине длины волны в диэлектрическом волноводе токи, вызванные наличием нерегулярностей, синфазны, что обеспечивает режим поперечного излучения антенны, т.е. в направлении нормали к верхней стенке волновода. Поставленная цель обеспечивается тем, что в антенне отсутствуют потери на излучение в рупорном устройстве возбуждения поверхностной волны.The antenna is as follows. Electromagnetic wave H ₁₀ , enters through the input rectangular waveguide 2 into the E-sector horn 3, which is a smooth transition from a standard-section waveguide to a waveguide with an increased cross-section size in the E-plane 4. In the dielectric rod 6, a surface electromagnetic wave with a structure close to wave is NOT ₁₀ type. Electromagnetic energy propagates in the dielectric rod and in the air in a region practically limited by the boundary radius of the field, whose dimensions are of the order of twice the transverse size of the dielectric rod (see DM Sazonov, AN Gridin, BN Mishustin Devices With HF M .: Higher School 1981 p. 210). Therefore, the presence of the upper wall of a metal waveguide has practically no effect on the propagation of a wave in a dielectric rod, and the presence of a slit 5 in the upper wall does not lead to a noticeable emission of electromagnetic waves by the indicated structure. If there are irregularities in the dielectric rod in the form of metal strips 7, the surface wave is converted into a bulk wave, electric currents arise on the upper wall of the waveguide. The result is the emission of an electromagnetic wave through the slit 5. The electrical slit length is a multiple of half the wavelength in air. When the irregularities are arranged in a checkerboard pattern with a step equal to half the wavelength in the dielectric waveguide, the currents caused by the presence of irregularities are in phase, which ensures the transverse radiation of the antenna, i.e. in the direction normal to the upper wall of the waveguide. The goal is ensured by the fact that in the antenna there are no radiation losses in the horn device for the excitation of a surface wave.

Проведенные расчеты путем электродинамического моделирования в среде CST Microwave Studio подтверждают работоспособность предлагаемого устройства и решение задачи изобретения.The calculations by electrodynamic modeling in the environment of CST Microwave Studio confirm the performance of the proposed device and the solution of the problem of the invention.

Иллюстрирующие данные приведены на Фиг. 2.Illustrative data is shown in FIG. 2

Заявляемое устройство конструктивно и технологически выполнимо традиционными способами изготовления волноводных устройств СВЧ диапазона (Бушминский И.П. Изготовление элементов конструкций СВЧ. Волноводы и волноводные устройства М.: Высшая школа 1974). Детали, составляющие заявляемое устройство, могут быть выполнены: металлические части из латуни или другого хорошо проводящего металла, диэлектрический стержень - из высокочастотного диэлектрика, например фторопласта.The inventive device is structurally and technologically feasible by traditional methods of manufacturing waveguide devices of the microwave range (Bushminsky IP Production of elements of microwave structures. Waveguides and waveguide devices M .: Higher School 1974). The parts that make up the inventive device can be made: metal parts made of brass or another well-conducting metal, the dielectric core can be made of a high-frequency dielectric, such as a fluoroplastic.

Устройство может применяться для построения антенно-фидерных систем миллиметрового диапазона волн.The device can be used to build antenna-feeder systems of millimeter wave range.

Claims

Antenna millimeter waves containing a dielectric rod with two groups of metal conductors installed asymmetrically to the axis of the rod with a step equal to half the wavelength in the dielectric waveguide, and the device to excite the surface wave in the form of an E-sector horn, characterized in that the dielectric rod is installed in a rectangular waveguide with a size in the Ε-plane of not less than twice the thickness of the dielectric rod, the waveguide is electrically connected to the E-sectorial group rum around the perimeter of the cross section of the waveguide in the upper wall of which on the axis of symmetry of the waveguide is cut slit with a width significantly smaller size of the waveguide in the H-plane.