RU2723980C1 - Horn radiator for antenna arrays with circular polarization - Google Patents
Horn radiator for antenna arrays with circular polarization Download PDFInfo
- Publication number
- RU2723980C1 RU2723980C1 RU2019139835A RU2019139835A RU2723980C1 RU 2723980 C1 RU2723980 C1 RU 2723980C1 RU 2019139835 A RU2019139835 A RU 2019139835A RU 2019139835 A RU2019139835 A RU 2019139835A RU 2723980 C1 RU2723980 C1 RU 2723980C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- horn
- waves
- emitter
- square
- segment
- Prior art date
Links
- 230000010287 polarization Effects 0.000 title claims abstract description 15
- 238000003491 array Methods 0.000 title abstract description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 241000208202 Linaceae Species 0.000 claims 1
- 235000004431 Linum usitatissimum Nutrition 0.000 claims 1
- 238000005388 cross polarization Methods 0.000 abstract description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P1/00—Auxiliary devices
- H01P1/165—Auxiliary devices for rotating the plane of polarisation
- H01P1/17—Auxiliary devices for rotating the plane of polarisation for producing a continuously rotating polarisation, e.g. circular polarisation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
- H01Q13/02—Waveguide horns
- H01Q13/0241—Waveguide horns radiating a circularly polarised wave
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
- H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters
- H01Q15/242—Polarisation converters
Landscapes
- Waveguide Aerials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в антенных решетках (АР) с фидерной разводкой сигналов и поперечными размерами излучателей более одной длины волны, для систем спутниковой связи и радиолокации, работающих на волнах круговой поляризации.The invention relates to the field of antenna technology and can be used in antenna arrays (AR) with feeder wiring of signals and transverse dimensions of emitters of more than one wavelength, for satellite communications and radar systems operating on circular polarized waves.
Известен рупорный излучатель, содержащий отрезок волновода и конический рупор, в котором в качестве элемента, преобразующего волны линейной поляризации в волны круговой поляризации, используется диэлектрическая пластина, расположенная в коническом рупоре (см. заявку JPS 2002-118401, опубл. 19.03.2002).Known horn emitter containing a segment of the waveguide and a conical horn, in which a dielectric plate located in a conical horn is used as an element that converts linear polarized waves into circular polarized waves (see application JPS 2002-118401, published March 19, 2002).
Подобный рупорный излучатель принят в качестве ближайшего аналога заявленного излучателя.Such a horn emitter is adopted as the closest analogue of the claimed emitter.
Недостатком данного рупорного излучателя является низкий уровень коэффициента использования поверхности (КИП) в составе АР, и, как следствие, низкий коэффициент усиления (КУ) излучателя и АР в целом.The disadvantage of this horn emitter is the low level of surface utilization coefficient (KIP) in the composition of the AR, and, as a consequence, the low gain (KU) of the emitter and the AR as a whole.
Задачей заявленного изобретения является создание рупорного излучателя волн круговой поляризации с высоким КИП в составе АР, при сохранении поперечного размера рупора и малого продольного размера рупорного излучателя.The objective of the claimed invention is the creation of a horn emitter of circular polarization waves with high instrumentation in the composition of the AR, while maintaining the transverse size of the horn and the small longitudinal size of the horn emitter.
В результате достигается технический результат, состоящий в достижении уровня КИП рупорного излучателя более 0.80 и излучения волн круговой поляризации с низким уровнем кроссполяризации (-25 дБ и менее), при сохранении малого продольного размера излучателя, не превышающего 2-4 минимальной длинны волны рабочего диапазона частот.As a result, a technical result is achieved, consisting in achieving an instrumentation level of the horn emitter of more than 0.80 and radiation of circularly polarized waves with a low level of cross-polarization (-25 dB or less), while maintaining a small longitudinal size of the emitter, not exceeding 2-4 the minimum wavelength of the operating frequency range .
Указанный технический результат достигается созданием рупорного излучателя для фазированной антенной решетки, который содержит отрезок квадратного волновода, ступенчатый пирамидальный рупор квадратного сечения, продольная ось симметрии которого совпадает с продольной осью симметрии отрезка квадратного волновода, и диэлектрическую пластину, предназначенную для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации, продольная плоскость симметрии которой расположена под углом 45 градусов к стенкам отрезка квадратного волновода. Диэлектрическая пластина выполнена с толщиной в диапазоне (0.1-0.3)λmin/(εпл-1), где εпл - относительная диэлектрическая проницаемость материала, из которого она выполнена, а λmin - минимальная длина волны в свободном пространстве рабочего диапазона частот. На концах диэлектрической пластины образованы профилированные согласующие участки. Первый профилированный согласующий участок расположен в отрезке квадратного волновода. Второй профилированный согласующий участок расположен в ступенчатом пирамидальном рупоре и выполнен в виде равнобедренной трапеции с высотой А, удовлетворяющей соотношению меньшее основание которой обращено в сторону апертуры рупорного излучателя, или в виде равнобедренного треугольника с высотой А, удовлетворяющей соотношению вершина которого направлена в сторону апертуры рупорного излучателя, где Н - продольный размер ступенчатого пирамидального рупора квадратного сечения.The specified technical result is achieved by creating a horn emitter for a phased antenna array, which contains a segment of a square waveguide, a stepped pyramidal horn of square section, the longitudinal axis of symmetry of which coincides with the longitudinal axis of symmetry of a segment of a square waveguide, and a dielectric plate designed to convert linear polarized waves into circular waves polarization or circular polarization waves into linear polarization waves, the longitudinal plane of symmetry of which is located at an angle of 45 degrees to the walls of a segment of a square waveguide. The dielectric plate is made with a thickness in the range (0.1-0.3) λ min / (ε pl -1), where ε pl is the relative dielectric constant of the material from which it is made, and λ min is the minimum wavelength in the free space of the working frequency range. At the ends of the dielectric plate, profiled matching portions are formed. The first profiled matching section is located in a segment of a square waveguide. The second profiled matching section is located in a stepped pyramidal horn and is made in the form of an isosceles trapezoid with a height A satisfying the ratio the smaller base of which faces the aperture of the horn emitter, or in the form of an isosceles triangle with a height A satisfying the ratio the apex of which is directed toward the aperture of the horn emitter, where H is the longitudinal dimension of the stepped pyramidal horn of square cross section.
Согласно частному варианту выполнения, первый согласующий участок выполнен в виде прямоугольника со ступенчатым вырезом или вырезом, имеющим форму равнобедренного треугольника, основание которого меньше поперечного размера второго согласующего участка, а вершина направлена в сторону апертуры рупорного излучателя.According to a particular embodiment, the first matching section is made in the form of a rectangle with a stepped neckline or a neckline having the shape of an isosceles triangle, the base of which is smaller than the transverse dimension of the second matching section, and the apex is directed towards the aperture of the horn emitter.
На фигурах 1а и 1б представлено схематичное изображение (вид спереди и общий вид) существенных частей рупорного излучателя, принятого в качестве ближайшего аналога заявленного рупорного излучателя.In figures 1A and 1B presents a schematic representation (front view and General view) of the essential parts of the horn emitter, adopted as the closest analogue of the claimed horn emitter.
На фигурах 2а и 2б представлено схематичное изображение (вид спереди и общий вид) существенных частей рупорного излучателя согласно частному варианту выполнения.Figures 2a and 2b show a schematic representation (front view and general view) of the essential parts of the horn emitter according to a particular embodiment.
На фигурах 3а и 3б представлено схематичное изображение диэлектрической пластины согласно частному варианту выполнения.Figures 3a and 3b show a schematic representation of a dielectric plate according to a particular embodiment.
На фигуре 4 представлено схематичное изображение АР, в которой используется заявленный рупорный излучатель.The figure 4 presents a schematic representation of the AR, which uses the claimed horn emitter.
Рупорный излучатель, показанный на фигурах 2а и 2б, содержит отрезок квадратного волновода 1, ступенчатый пирамидальный рупор квадратного сечения 2 и диэлектрическую пластину 3. Продольная ось симметрии 4 ступенчатого пирамидального рупора квадратного сечения 2 совпадает с продольной осью симметрии 5 отрезка квадратного волновода 1.The horn emitter shown in figures 2a and 2b contains a segment of a
Для достижения наилучших характеристик, количество ступеней рупора выбирается в зависимости от значения параметра А1/λmin (где A1 - длинна стороны квадратной апертуры рупорного излучателя) и условия сохранения малого продольного размера излучателя:To achieve the best performance, the number of speaker stages is selected depending on the value of the parameter A 1 / λ min (where A 1 is the length of the square aperture of the horn radiator) and the conditions for maintaining a small longitudinal dimension of the radiator:
При размерах апертуры излучателя более 3λmin излучатель целесообразно создавать в виде квадратной подрешетки с числом квадратных рупоров N2, где N=A/A1, где А - длина стороны апертуры квадратной подрешетки.When the emitter aperture sizes are more than 3λ min, it is advisable to create an emitter in the form of a square sublattice with the number of square horns N 2 , where N = A / A 1 , where A is the side length of the aperture of the square sublattice.
Выбор числа и размеров ступеней, обеспечивающих близкое к постоянному распределение электромагнитного поля в апертуре решетки, а с этим повышенный КИП рупора, проводится по методике, приведенной в статье (Кривошеев Ю.В., Шишлов А.В., Сусеров Ю.А., Денисенко В.В. «Разработка, моделирование и измерение характеристик высокоэффективного рупорного излучателя для фазированных антенных решеток», журнал «Радиотехника» №4, 2018, с. 47-52).The choice of the number and size of steps that provide a close to constant distribution of the electromagnetic field in the aperture of the lattice, and with this an increased instrumentation of the horn, is carried out according to the methodology described in the article (Krivosheev Yu.V., Shishlov A.V., Suserov Yu.A., Denisenko VV “Development, modeling and measurement of the characteristics of a high-performance horn radiator for phased antenna arrays”, the journal Radio Engineering No. 4, 2018, pp. 47-52).
Диэлектрическая пластина 3 предназначена для преобразования волн линейной поляризации в волны круговой поляризации (при работе рупорного излучателя на передачу) или волн круговой поляризации в волны линейной поляризации (при работе рупорного излучателя на прием). Продольная плоскость симметрии 6 диэлектрической пластины 3 расположена под углом 45 градусов к стенкам отрезка квадратного волновода 1 (и, соответственно, к стенкам ступенчатого пирамидального рупора квадратного сечения 2). Диэлектрическая пластина выполняется с толщиной в диапазоне (0.1-0.3)λmin/(εпл-1), где εпл - относительная диэлектрическая проницаемость материала, из которого она выполнена, a λmin - минимальная длина волны в свободном пространстве рабочего диапазона частот. Диэлектрическая пластина 3, выполняется, например, из материала RO3035 фирмы Rogers Corporation (εпл=3.5).The
На концах диэлектрической пластины 3 (смотри фигуры 3а и 3б) образованы профилированные согласующие участки, обеспечивающие уменьшение отражений для проходящих в рупорном излучателе через область диэлектрической пластины 3 волн с электрическим полем перпендикулярным или параллельным продольной плоскости симметрии 6 диэлектрической пластины 3.At the ends of the dielectric plate 3 (see figures 3a and 3b), profiled matching sections are formed, which provide a reduction in reflections for waves traveling in the horn radiator through the region of the
Первый профилированный согласующий участок 7, расположен в отрезке квадратного волновода 2. В частном варианте, изображенном на фигуре 3а, он выполнен в виде прямоугольника со ступенчатым вырезом. В другом частном варианте, изображенном на фигуре 3б, он выполнен в виде прямоугольника с вырезом, имеющим форму равнобедренного треугольника, основание которого меньше поперечного размера второго согласующего участка, а вершина направлена в сторону апертуры рупорного излучателя.The first profiled
Второй профилированный участок 8 расположен в ступенчатом пирамидальном рупоре 2. Он выполнен в виде равнобедренной трапеции с высотой А, удовлетворяющей соотношению меньшее основание которой обращено в сторону апертуры рупорного излучателя (смотри фигуры 3а и 3б) или в виде равнобедренного треугольника с высотой А, удовлетворяющей соотношению вершина которого направлена в сторону апертуры рупорного излучателя (на фигурах не показано), где Н - продольный размер ступенчатого пирамидального рупора квадратного сечения.The second profiled
Заявленный рупорный излучатель работает следующим образом.The claimed horn emitter operates as follows.
При работе на передачу сигнал с волной линейной поляризации (вектор электрического поля параллелен оси ОХ или OY, фигура 2б) поступает на вход отрезка квадратного волновода 1. Попадая на диэлектрическую пластину 3, которая установлена под углом 45 градусов к стенкам отрезка квадратного волновода 1, волна линейной поляризации преобразуется в волну круговой поляризации и излучается в свободное пространство. Диэлектрическая пластина 3 согласована с входом отрезка квадратного волновода 1 с помощью первого профилированного согласующего участка 7 (фигуры 3а и 3б).When transmitting, a signal with a linear polarization wave (the electric field vector is parallel to the OX or OY axis, figure 2b) is fed to the input of a segment of a
При работе на прием сигнал с круговой поляризацией, падая на апертуру излучателя, попадает в ступенчатый пирамидальный рупор квадратного сечения 2 с диэлектрической пластиной 3 (фигура 2б), с помощью которой преобразуется в сигнал с линейной поляризацией и попадает в отрезок квадратного волновода 1.During reception, a circularly polarized signal, falling on the aperture of the emitter, enters a stepwise pyramidal horn of
Для сравнения характеристик заявленного излучателя и прототипа рассматривались рупора для 64 элементной волноводной решетки передающего диапазона 29-31 ГГц наземного терминала спутниковой системы связи (фигура 4). Моделирование проводилось с использованием специализированной компьютерной программы, основанной на сеточном методе решения уравнений Максвелла для рупора в составе бесконечной решетки.To compare the characteristics of the claimed emitter and the prototype, horns for a 64 element waveguide array of a transmitting range of 29-31 GHz of the ground terminal of a satellite communications system were considered (figure 4). The simulation was carried out using a specialized computer program based on the grid method for solving the Maxwell equations for the horn in an infinite lattice.
В таблице 1 показаны значения КИП, КУ и уровня кроссполяризации для заявляемого в данном патенте пятиступенчатого рупорного излучателя и конического рупорного излучателя по патенту JPS №2002-118401. Размеры апертуры для обоих рупоров выбирались равными 20×20 мм и располагались в решетке по квадратной сетке, что определяет шаг излучателей в решетке, равный 2λ, где λ - длина волны в свободном пространстве на средней частоте рабочего диапазона 30 ГГц. Поперечный размер излучателя равен 3.8λmin.Table 1 shows the values of instrumentation, control and cross-polarization level for the five-stage horn emitter and conical horn emitter claimed in this patent according to JPS patent No. 2002-118401. The aperture sizes for both horns were chosen equal to 20 × 20 mm and arranged in a grating on a square grid, which determines the step of the emitters in the grating, equal to 2λ, where λ is the wavelength in free space at an average frequency of the working range of 30 GHz. The transverse size of the emitter is 3.8λ min .
Из таблицы видно, что у заявленного рупорного излучателя КИП выше на 43-47%, чем у рупорного излучателя по прототипу. Это обеспечило повышение КУ заявленного ступенчатого рупорного излучателя по сравнению с прототипом в среднем на 1.7 дБ и сохранение низкого уровня кроссполяризации.The table shows that the claimed horn emitter instrumentation is 43-47% higher than that of the horn emitter according to the prototype. This ensured an increase in the design factor of the claimed stepwise horn radiator compared to the prototype by an average of 1.7 dB and a low level of cross-polarization.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019139835A RU2723980C1 (en) | 2019-12-06 | 2019-12-06 | Horn radiator for antenna arrays with circular polarization |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019139835A RU2723980C1 (en) | 2019-12-06 | 2019-12-06 | Horn radiator for antenna arrays with circular polarization |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2723980C1 true RU2723980C1 (en) | 2020-06-18 |
Family
ID=71095955
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019139835A RU2723980C1 (en) | 2019-12-06 | 2019-12-06 | Horn radiator for antenna arrays with circular polarization |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2723980C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112713405A (en) * | 2020-12-18 | 2021-04-27 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | Coplanar waveguide feed horn antenna |
| CN114122736A (en) * | 2022-01-26 | 2022-03-01 | 华南理工大学 | Omnidirectional coverage broadband circularly polarized multi-beam antenna array |
| RU2834176C1 (en) * | 2024-09-30 | 2025-02-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Конструкторское бюро "Герит" | Dual-band dual-polarization antenna cell |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5568160A (en) * | 1990-06-14 | 1996-10-22 | Collins; John L. F. C. | Planar horn array microwave antenna |
| RU2365000C1 (en) * | 2008-01-25 | 2009-08-20 | Кирилл Константинович Ковалев | Phased aerial with circular spatial polarisation |
| WO2012109393A1 (en) * | 2011-02-08 | 2012-08-16 | Henry Cooper | High gain frequency step horn antenna |
| RU2589488C2 (en) * | 2013-08-15 | 2016-07-10 | Нуктех Кампани Лимитед | Array of waveguide-horn radiators, methods of building arrays of waveguide-horn radiators and antenna systems |
| RU2607769C1 (en) * | 2013-01-21 | 2017-01-10 | Нек Корпорейшн | Antenna |
-
2019
- 2019-12-06 RU RU2019139835A patent/RU2723980C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5568160A (en) * | 1990-06-14 | 1996-10-22 | Collins; John L. F. C. | Planar horn array microwave antenna |
| RU2365000C1 (en) * | 2008-01-25 | 2009-08-20 | Кирилл Константинович Ковалев | Phased aerial with circular spatial polarisation |
| WO2012109393A1 (en) * | 2011-02-08 | 2012-08-16 | Henry Cooper | High gain frequency step horn antenna |
| RU2607769C1 (en) * | 2013-01-21 | 2017-01-10 | Нек Корпорейшн | Antenna |
| RU2589488C2 (en) * | 2013-08-15 | 2016-07-10 | Нуктех Кампани Лимитед | Array of waveguide-horn radiators, methods of building arrays of waveguide-horn radiators and antenna systems |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112713405A (en) * | 2020-12-18 | 2021-04-27 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | Coplanar waveguide feed horn antenna |
| CN114122736A (en) * | 2022-01-26 | 2022-03-01 | 华南理工大学 | Omnidirectional coverage broadband circularly polarized multi-beam antenna array |
| RU2834176C1 (en) * | 2024-09-30 | 2025-02-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Конструкторское бюро "Герит" | Dual-band dual-polarization antenna cell |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Casula et al. | Design of a printed log-periodic dipole array for ultra-wideband applications | |
| Sehm et al. | A high-gain 58-GHz box-horn array antenna with suppressed grating lobes | |
| CN101009401A (en) | Circular waveguide antenna and circular waveguide array antenna | |
| JPH02228104A (en) | Wide band antenna | |
| KR102323334B1 (en) | Metasurface-based single-layer wideband circularly polarized antenna for 5G millimeter-wave system | |
| Wang et al. | Ellipsoidal Luneburg lens binary array for wide-angle scanning | |
| CN108832287B (en) | Tri-band WiFi Antenna | |
| RU2723980C1 (en) | Horn radiator for antenna arrays with circular polarization | |
| KR101314250B1 (en) | Patch antenna and method for manufacturing thereof in a wireless communication system | |
| EP0268635B1 (en) | Reflector antenna with a self-supported feed | |
| RU2655033C1 (en) | Small-sized dualpolarized waveguide radiator of the phase antenna grid with high insulation between the channels | |
| CN101814659A (en) | Triangular slotted waveguide array antenna | |
| Zainud-Deen et al. | Radiation characteristics enhancement of dielectric resonator antenna using solid/discrete dielectric lens | |
| Yamac et al. | Waveguide slot-fed horn antenna array with suppressed sidelobes | |
| Heiman et al. | Design of a conventional horn antenna for Ku band | |
| Hodgkinson et al. | Compact UWB antipodal vivaldi array for beam steering applications | |
| RU195632U1 (en) | Two-channel transceiver antenna system with improved polarization isolation characteristic | |
| Ahmed et al. | Low-Cost All-Metal Resonant-Cavity Antenna for High Power Applications | |
| Farooq et al. | Antenna design for advance wireless systems using metamaterial surfaces | |
| Mohamed et al. | Enhancing Yagi-Uda Antenna Performance: Optimizing Gain and Bandwidth with Directors Modification | |
| Guerra-Huaranga et al. | Comparative Analysis of Three Types of VHF/UHF Antennas for GPR Array | |
| Pfeiffer et al. | Lossy antenna arrays with frequency-independent beamwidth | |
| Fang et al. | The design of Ku-band wide bandwidth and wide angle scanning double-ridged waveguide antenna | |
| Heiman et al. | Analysis of pyramidal horn antenna for Ku band applications | |
| KR20110116834A (en) | Linear tapered slot antenna with slot and array antenna |