МАЛОГАБАРИТНАЯ НАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА Российский патент 1996 года по МПК H01Q9/02 

Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к антенной технике, и может быть использовано как в виде самостоятельной антенны, так и в составе более сложных антенн (антенных решеток).

Для ряда применений в ультракоротковолновом (УКВ) диапазоне требуются антенны с однонаправленной диаграммой направленности (ДН) и выходом на коаксиальный фидер. Такие антенны предпочтительны при организации служебной радиосвязи и приеме телевизионного вещания. Повышение направленности, как известно, приводит к увеличению уровня сигнала, а образующиеся при этом провалы в ДН позволяют улучшить помехозащищенность. Так, в условиях многолучевого приема, ориентируя минимум ДН в определенном направлении, можно устранить многоконтурность телевизионного изображения, искажения цветопередачи и нелинейные искажения звукового стереосигнала. Однако в городских квартирах и на транспортных средствах затруднена установка крупногабаритных антенн, которые обладают хорошими направленными свойствами; для таких применений целесообразно использовать малогабаритные антенны, пусть даже с меньшей направленностью. Таким образом, в настоящее время актуально создание малогабаритной направленной антенны (МНА) с выходом на коаксиальный фидер.

Одним из наиболее простых типов направленной антенны, который можно считать аналогом изобретения, является хорошо известный симметричный вибратор. Однако его ДН является направленной лишь в плоскости вибратора (да и то двунаправленной). Кроме того, для подключения вибратора к коаксиальному фидеру необходимо применение симметрирующего устройства, имеющего значительные размеры. Наконец, короткие вибраторы (короче λ/2, где λ длина волны) трудно согласовать с коаксиальным фидером, причем даже при использовании симметрирующе-согласующего устройства (ССУ).

Получить однонаправленную ДН при относительной простоте антенного устройства можно с помощью ромбической антенны (РА), находящей применение в коротковолновом и УКВ диапазонах [1] РА представляет собой систему из четырех расширяющихся от места питания проводов, изогнутых в форме ромба, и является антенной бегущей волны. Эта волна образуется благодаря включению в одном из углов ромба, диаметрально противоположно точке питания, активной нагрузки. Однако при использовании для питания РА коаксиального фидера необходимо применение, как и в случае вибраторной антенны, отдельного ССУ, что не всегда приемлемо. Кроме того, длина стороны ромба в РА составляет не менее 2λ, а это обуславливает значительные габариты антенны и требует применения диэлектрических опор. К тому же ССУ должно соединяться с антенной пайкой (или иным способом), что, вместе с вышеупомянутыми недостатками, не позволяет обеспечить высокую технологичность изготовления.

Часть этих недостатков устраняется при использовании кольцевой рамочной антенны [2] принятой за прототип. Антенна [2] является направленной антенной УКБ диапазона уменьшенных, по сравнению с [1] габаритов и представляет собой нагруженную резистором кольцевую рамку периметром около l. Она выполнена из металлических полуколец шириной 50-140 мм и толщиной 0,5 мм, размещенных на цилиндрической поверхности. Максимум ее ДН ориентирован в направлении точки питания. Эта антенна подключается к двухпроводному фидеру с волновым сопротивлением приблизительно 300 ом. Если же требуется использовать 50- или 75-ом. коаксиальный фидер, то, как и в случае РА, придется применять то или иное ССУ. Другим недостатком прототипа является неудобство крепления к опоре (требуются диэлектрические конструктивные элементы). Недостатком является также значительная толщина антенны (металлические полукольца рамки образуют значительный объем, ограниченный их цилиндрической поверхностью).

Таким образом, недостатками прототипа [2] являются:
1) "трехмерность" конструкция, обуславливающая значительные габариты и не позволяющая использовать простую технологию изготовления;
2) невозможность подключения прототипа к коаксиальному фидеру без отдельного ССУ, а его применение существенно увеличивает массу и габариты антенны;
3) необходимость использования для крепления к опоре диэлектрических конструктивных элементов, что усложняет конструкцию антенны.

Целью изобретения является уменьшение габаритов антенны и обеспечение возможности подключения к коаксиальному фидеру при упрощении конструкции крепления к опоре и технологии изготовления.

Эта цель достигается тем, что полукольца выполнены плоскими в плоскости изгиба и размещены на первой стороне введенной диэлектрической пластины, а первые два конца полуколец соединены с фидером через расположенную внутри и вне полуколец щелевую полосковую линию, которая образована двумя проводниками, проходящими без гальванического контакта между вторыми двумя кольцами полуколец, причем эти проводники короткозамкнуты между собой в конце щелевой полосковой линии и выполнены, как и оба полукольца, в виде металлизации диэлектрической пластины, имеющей сквозное отверстие для крепления к опоре, при этом на второй стороне диэлектрической пластины находятся выполненные в виде ее металлизации изогнутый проводник, пересекающий в проекции зазор между двумя проводниками щелевой полосковой линии на расстоянии l_щл/4 от их короткозамкнутых концов, где λ_щл максимальная рабочая длина волны в щелевой полосковой линии, и образующий в этом месте возбудитель, и контактная площадка для подключения внешнего проводника коаксиального фидера, соединенная перемычкой с концом щелевой полосковой линии, причем первый проводник щелевой полосковой линии является экраном несимметричной полосковой линии, полоском которой является подключаемый к центральному проводнику коаксиального фидера, вблизи контактной площадки, отрезок изогнутого печатного проводника, расположенный на второй стороне диэлектрической пластины между одним его концом и возбудителем, а остальной отрезок этого изогнутого проводника, расположенный между возбудителем и другим его концом, вместе с металлизацией, выполненной на первой стороне диэлектрической пластины в виде плоского проводника, подключенного ко второму проводнику щелевой полосковой линии, образует разомкнутый отрезок несимметричной полосковой линии длиной λ_нл/4, где λ_нл максимальная рабочая длина волны в несимметричной полосковой линии.

Наличие отличительных признаков МНА обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна".

Сочетание отличительных признаков и свойств МНА обуславливает соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показан вид сверху на МНА. На фиг. 2 показан вид снизу на часть МНА. На фиг. 3 показан один из способов подключения коаксиального фидера к ССУ. На фиг. 4 показана эквивалентная схема МНА. На фиг. 5 показана ДН заявляемой антенны.

МНА выполнена (фиг. 1) в виде плоской нагруженной рамки на диэлектрической пластине 1 размером А х В и толщиной h. Рамка состоит из двух плоских металлических полуколец 2, 3, размещенных в одной плоскости, а именно на первой (верхней) стороне пластины 1 (средний радиус окружности обозначен r), и подключенных первыми двумя концами 4, 5 к проводникам 6, 7, образующим щелевую полосковую линию. Ширина проводников 6, 7 внутри рамки увеличивается от величины c до величины a, при этом ширина зазора 8 между ними уменьшается от величины d между концами 4 и 5 до величины b между вторыми двумя концами 9, 10 полуколец 2, 3. При этом проводники 6, 7 не имеют гальванического контакта с концами 9, 10 полуколец 2, 3. Вне рамки проводники 6, 7 имеют постоянную ширину a и разделены постоянным зазором шириной b. Концы 11 и 12 проводников 6 и 7 короткозамкнуты с помощью металлической площадки 13. К внешней стороне проводника 7 вне рамки примыкает плоский проводник 14. Вторыми двумя концами 9 и 10 полукольца 2 и 3 подключены к резистору 15, расположенному на второй (нижней) стороне пластины 1; выводы резистора 15 проходят через сквозные отверстия 16, 17 в пластине 1.

На второй стороне пластины 1 находятся изогнутый печатный проводник шириной w, состоящий из отрезков 18 и 19, переходящих один в другой в точке F, и контактная площадка 20 (показаны пунктиром). Точка F расположена в месте пересечения изогнутым проводником (в проекции) зазора 8 (фиг. 2). Таким образом, выходной фидер выполнен в виде несимметричной полосковой линии, экраном которой является часть проводника 6, а полоском отрезок 18, подключаемый своим концом к центральному проводнику 21 коаксиального фидера (фиг. 3), внешний проводник 22 которого подключается к контактной площадке 20. Все проводники антенны выполнены в виде металлизации диэлектрической пластины 1. Площадка 13 первой стороны пластины 1 соединена с контактной площадкой 20 второй стороны пластины 1 с помощью проводящей перемычки 23. Расстояние до точки F вдоль проводников 6, 7 от их короткозамкнутых концов 11, 12 составляет (фиг. 1, 4) , где λ_щл максимальная рабочая длина волны в щелевой полосковой линии. Отрезок 19 вместе с плоским проводником 14 образует разомкнутый отрезок несимметричной полосковой линии длиной (фиг. 2, 4), где λ_нл максимальная рабочая длина волны в несимметричной полосковой линии. Для крепления МНА к опоре служит сквозное отверстие 24 в пластине 1 (фиг. 1, 2).

МНА работает следующим образом. Электромагнитная энергия падает на антенну (в режиме приема) из свободного пространства и наводит высокочастотный ток в полукольцах 2, 3 шириной a_e (фиг. 1). Далее она распространяется по щелевой полосковой линии, образованной проводниками 6, 7, в виде Т-волны и возбуждает в точке F несимметричную полосковую линию, образованную отрезком 18 изогнутого печатного проводника (фиг. 2) и частью проводника 6, подключенными соответственно к центральному проводнику 21 и внешнему проводнику 22 коаксиального фидера (фиг. 3). Внутри рамки из полуколец 2, 3 (фиг. 1) ширина проводников 6, 7 плавно увеличивается, а расстояние между ними уменьшается для обеспечения согласования волнового сопротивления рамки с волновым сопротивлением щелевой полосковой линии, образованной проводниками постоянной ширины a. Для получения в рамке режима бегущей волны между вторыми двумя концами 9 и 10 полуколец 2 и 3 включена активная нагрузка в виде резистора 15. При этом полосковая линия, содержащая отрезок 19 изогнутого печатного проводника образует разомкнутый шлейф 25 (фиг. 4) длиной , который подключен последовательно относительно нагрузки R в виде отрезка щелевой линии, нагруженной рамкой, содержащей полукольца 2 и 3 с включенным между их вторыми двумя концами 9 и 10 резистором 15. Этот разомкнутый шлейф 25 вместе с короткозамкнутым шлейфом 26, образованным щелевой полосковой линией (от точки F места пересечения изогнутым печатным проводником зазора 8 до ее короткозамкнутого конца), имеющим длину и включенным параллельно относительно нагрузки R, образует широкополосное ССУ трансформаторного типа [3]
Предложенная МНА экспериментально исследована в диапазоне 88-104 МГц. Размеры диэлектрической пластины 1 в макете составляют А х В 310 х 425 мм, толщина h 2 мм. Материал пластины стеклотекстолит (фольгированный материал марки СФ-2-35). Ширина полуколец 2 и 3 составляет а_e 20 мм, радиус рамки r 140 мм (периметр рамки составляет около 0,3λ/2). Величина зазора 8 между параллельными внутренними кромками проводников 6 и 7 составляет b 2 мм. Другие параметры полосковой линии в различных частях МНА: a 9 мм, d 13,8 мм, w 1,92 мм. Номинальное сопротивление резистора 15 равно 3,6 Ком (тип резистора С2-23). К антенне подключается коаксиальный кабель марки РК-75-9-12.

В указанном диапазоне частот МНА имеет коэффициент стоячей волны по напряжению менее 2,0. Коэффициент усиления на частоте 100 МГц составил минус 11 дБ (у антенны-прототипа при том же электрическом размере рамки коэффициент усиления составляет около минус 17 дБ). На фиг. 5 приведены измеренные на частоте 99 МГц ДН в двух главных плоскостях (сплошная линия плоскость E, пунктир плоскость H). Максимум ДН в обеих главных плоскостях ориентирован вдоль лежащей в плоскости пластины 1 оси, в направлении стрелки D (фиг. 1). Минимум ДН в обеих главных плоскостях расположен под углом около 120^o, глубина его составляет около минус 25 дБ, что позволяет при необходимости эффективно отстроиться от помехи.

В предложенной МНА по сравнению с прототипом достигнут следующий технико-экономический эффект:
1) за счет использования описанной плоской конструкции антенны, интегрированной с ССУ, существенно уменьшены габариты: толщина рамки не менее чем в 25 раз, радиус рамки (по сравнению с антенной прототипа с тем же усилением) в 1,8 раза, максимальный габаритный размер антенны в 1,2 раза;
2) за счет использования на выходе несимметричной полосковой линии обеспечена возможность подключения антенны к коаксиальному фидеру;
3) за счет введения диэлектрической подложки и использования плоских полуколец упрощены конструкции крепления антенны к опоре (не требуются дополнительные диэлектрические конструктивные элементы) и технология изготовления (применена печатная технология).

Кроме того, по сравнению с антенной-прототипом (с тем же электрическим размером рамки) получено увеличение коэффициента усиления приблизительно на 6 дБ.

Литература.

1. Жук М.С. Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. М. Энергия, 1966, с. 312-329.

2. Xin-de Ju, De-Ming Fu, Nai-Hong Mao. VHF TV Full Channel Loaded Circular LOOp Antenna. IEEE Trans. on Antennas and Propag. AP-32, 1984, April, p.p. 425-428.

3. Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенны. М. Радио и связь, 1985, с. 263-264.

Использование: в качестве комнатной антенны для приема телевизионного вещания. Малогабаритная направленная антенна содержит два проводящих полукольца, первые два конца которых соединены с фидером. Между вторыми двумя концами включен резистор. Проводящие полукольца выполнены плоскими в плоскости изгиба и размещены на первой стороне диэлектрической пластины. Первые два конца этих полуколец соединены с фидером через полосковые щелевую и несимметричную линии. Концы щелевой полосковой линии короткозамкнуты между собой. На второй стороне диэлектрической пластины размещены изогнутый проводник и контактная площадка. Изогнутый проводник пересекает в проекции зазор между двумя проводниками щелевой полосковой линии на расстоянии четверти максимальной рабочей длины волны в щелевой полосковой линии от их короткозамкнутых концов, образуя в этом месте возбудитель. Контактная площадка соединена перемычкой с короткозамкнутым концом щелевой линии. Первый проводник щелевой полосковой линии является экраном несимметричной полосковой линии, полоском которой является участок изогнутого проводника. Остальной участок изогнутого проводника и металлизация на первой стороне диэлектрической пластины, подключенная ко второму проводнику щелевой линии, образуют разомкнутый четвертьволновый отрезок несимметричной полосковой линии. 5 ил.

Малогабаритная направленная антенна, содержащая два проводящих полукольца, первые два конца которых соединены с коаксиальным фидером, а между вторыми двумя концами включен резистор, отличающаяся тем, что проводящие полукольца выполнены плоскими в плоскости изгиба и размещены на первой стороне введенной диэлектрической пластины, а первые два конца проводящих полуколец соединены с фидером через расположенную внутри и вне проводящих полуколец щелевую полосковую линию, которая образована двумя проводниками, короткозамкнутыми между собой на конце щелевой полосковой линии и выполненными, как и проводящие полукольца, в виде металлизации введенной диэлектрической пластины, имеющей сквозное отверстие для крепления к опоре, при этом на второй стороне введенной диэлектрической пластины размещены выполненные в виде ее металлизации изогнутый печатный проводник, пересекающий в проекции зазор между двумя проводниками щелевой полосковой линии на расстоянии λ_щл/4 от их короткозамкнутых концов, где λ_щл максимальная рабочая длина волны в щелевой полосковой линии, и образующий в этом месте возбудитель, и контактная площадка для подключения внешнего проводника коаксиального фидера, соединенная перемычкой с концом щелевой полосковой линии, причем первый проводник щелевой полосковой линии является экраном несимметричной полосковой линии, узким токонесущим проводником который является участок изогнутого печатного проводника от места подключения к центральному проводнику коаксиального фидера вблизи контактной площадки до возбудителя, а остальной участок изогнутого печатного проводника вместе с металлизацией, выполненной на первой стороне введенной диэлектрической пластины в виде плоского проводника, подключенного к второму проводнику щелевой полосковой линии, образует разомкнутый отрезок несимметричной полосковой линии длиной λ_нл/4, где λ_нл максимальная рабочая длина волны в несимметричной полосковой линии.