КОЛЬЦЕВОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01Q1/38 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике и предназначено для использования в качестве самостоятельной антенны, либо элемента антенной решетки с повышенной полосой рабочих частот и широкой диаграммой направленности.

Известны некоторые варианты построения кольцевых антенн аналогичного назначения, см. например: заявка ФРГ N 3908893, опубл. 20. 09.1990; авт.св. СССР N 1476558 от 5.07.1988.

Известные аналоги представляют собой кольцевые антенны, образованные проводящим экраном и металлическими кольцевыми проводниками.

Недостатком аналогов является узкая рабочая полоса частот, необходимость использования устройств управления, большие габаритные размеры, обусловленные воздушным заполнением пространства между экраном и кольцевыми проводниками, а также построением излучателя по резонаторному типу.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному устройству аналогом является антенна, описанная в заявке Японии N 6340488 от 11.08.1988. Прототип включает в себя металлическое кольцо, расположенное с диэлектрическим зазором параллельно проводящей плоскости, край которого имеет электрический контакт с проводящей плоскостью, и линию питания, в виде коаксиального фидера, связанную одним проводником с металлическим кольцом, а другим проводником с проводящей плоскостью. За счет использования внутреннего разомкнутого края резонатора в качестве источника излучения формируется широкая диаграмма направленности.

Однако, как и описанные выше аналоги, данный кольцевой излучатель является резонаторным и имеет узкою рабочую полосу частот, не превышающую 1% по уровню доступного КБВ > 0,4.

Целью разработки заявляемого решения является создание кольцевого излучателя c увеличенной полосой рабочих частот при формировании широкой диаграммы направленности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном кольцевом излучателе, содержащем металлическое кольцо, расположенное параллельно проводящей плоскости, и линию питания в виде коаксиального фидера, связанную одним проводником с металлическим кольцом, а вторым с проводящей плоскостью, в металлическом кольце дополнительно вырезаны концентрические секторные щели, расположенные симметрично относительно радиуса, соединяющего центр кольца и точку подключения центрального проводника коаксиального фидера к металлическому кольцу.

В частном случае в металлическом кольце могут быть вырезаны две концентрические секторные щели. Внешний R и внутренний r радиусы металлического кольца выбраны в соотношении R/r=2,2.2,6. Концентрические секторные щели вырезаны в пределах секторного угла α = 50^°...80^°. При двух концентрических секторных щелях ширина щели, прилегающей к центру кольца, δ_ц равна (0,2.0,3) (R-r).

Ширина периферийной щели δ_п соотносится с шириной δ_ц как δ_ц/δ_п= 2,5...3 Оси симметрии данных двух концентрических щелей отстоят от центра металлического кольца на расстоянии, составляющем соответственно r_ц=(0,62.0,7)R и r_п= (0,8.0,86)R. Внешний радиус R составляет λ_ср.д./(3,86...3,88), где λ_ср.д.= λ_o/Vε_r, ε_r относительная диэлектрическая проницаемость среды в зазоре между металлическим кольцом и проводящей плоскостью, λ_o длина волны в свободном пространстве.

Линия питания может быть выполнена из коаксиального кабеля. В этом случае центральный проводник подключен к внешней кромке металлического кольца, а экранная оболочка к металлической плоскости. Точка подключения центрального проводника расположена на биссектрисе секторного угла, в пределах которого вырезаны концентрические секторные щели.

Перечисленная совокупность существенных признаков позволяет в заявленном устройстве повысить полосу рабочих частот (с 1% до 5.7%) при широкой диаграмме направленности. Увеличение рабочей полосы частот осуществляется за счет компенсации реактивности и снижения резонансной частоты излучателя с помощью концентрических щелей.

На фиг. 1 представлен вид сверху кольцевой антенны при возбуждении в одной точке; на фиг.2 структура антенны в сечении РР'; на фиг.3 вид сверху кольцевой антенны при квадратурном возбуждении; на фиг.4 график КБВ модели антенны в УКВ диапазоне.

Заявленная антенна, показанная на фиг. 1 и 2, содержит металлическое кольцо 1, проводящую плоскость 2, концентрические секторные щели 3 и 4, прорезанные в металлическом кольце, и коаксиальный фидер 5. Металлическое кольцо 1 расположено с диэлектрическим зазором компланарно проводящей плоскости 2.

Внешний радиус R составляет λ_д.ср./(3,86...3,88), где λ_д.ср.= λ_oVε_r, ε_r относительная диэлектрическая проницаемость среды в зазоре между металлическим кольцом и проводящей плоскостью, λ_o средняя длина рабочей волны в свободном пространстве. Внутренний r и внешний R радиусы металлического кольца 1 выбираются из соотношения R/r=2,2.2,6.

Толщина диэлектрического зазора между металлическим кольцом и проводящей плоскостью выбирается из технологических возможностей печатного или другого производства и составляет в среднем 100 Δ, где D толщина токопроводящих частей антенны (см. например: Конструирование и расчет полосковых устройств. Под ред. И.С.Ковалева, М. Советское радио, 1974 с.31).

Концентрические секторные щели вырезаны в пределах секторного угла a равного 50^o.80^o. При вырезании двух концентрических секторных щелей 3 и 4 их оси симметрии r_ц и r_п отстоят от центра металлического кольца 1 на следующих расстояниях:
для ближней к центру кольца 1 концентрической секторной щели 3, r_ц= (0,62.0,7)R;
для дальней от центра кольца 1 концентрической секторной щели 4, r_п= (0,8.0,86)R.

Ширина концентрической секторной щели 3, прилегающей к центру металлического кольца 1, составляет величину d_ц= (0,2...0,3)(R-r) Ширина периферийной концентрической секторной щели 4 соотносится с шириной щели δ_ц как δ_ц/δ_п= 2,5...3.

Коаксиальный фидер 5 подключен центральным проводником к внешней кромке металлического кольца 1, а экранной оболочкой 7 к проводящей плоскости 2. При использовании в качестве линии питания 5 коаксиального провода, центральный его проводник 6 подключен к внешней кромке металлического кольца 1, а оплетка 7 к проводящей плоскости 2. При этом точка подключения центрального проводника расположена на биссектрисе ОР секторного угла α в пределах которого вырезаны концентрические секторные щели.

Антенна работает следующим образом. При подключении антенны к генератору между металлическим кольцом и проводящей плоскостью возникает электрическое поле, обусловленное протеканием электрических токов по отрезку фидера i_э.ф. и металлическому кольцу i_э.м. (фиг.1.). При отсутствии секторных щелей поле в основном концентрирует между металлическим кольцом и проводящей плоскостью по оси симметрии металлического кольца. Условие резонанса зависит от соотношения радиусов R/r и диэлектрического заполнения зазора между металлическим кольцом и проводящей плоскостью. Прорезание щелей вызывает появление дополнительных магнитных токов i_м.щ. (фиг.1), величина которых зависит от ширины щелей, секторного угла a и расстояний r_ц и r_п до осей симметрии концентрических секторных щелей. Взаимодействие и обусловленность электрических i_э.ф. и i_э.м. и магнитных i_м.щ. токов приводит к изменению условий резонанса. Уменьшение резонансной частоты и компенсация реактивности в резонирующем объеме за счет выбора соотношения r_п/r_ц приводит к расширению диапазона частот требуемого согласования. Этому способствует снижение добротности излучателя за счет наращивания излучаемой мощности и уменьшения реактивной мощности в объеме резонатора.

Такая электродинамическая конструкция позволяет расширить полосу частот 1% до 5.7% для кольцевых антенн, выполненных по печатной технологии и выборе размеров R, r, r_п, r_ц, d_п, δ_ц, α в пределах, указанных в формуле изобретения.

При необходимости работать на средней частоте f_cp=360 МГц минимальные размеры предлагаемой антенны, выполненной по печатной технологии с диэлектрической подложкой, у которой ε_r= 4 следующие:
R=107 мм; r=41 мм; r_п=86 мм; r_ц=66 мм; δ_ц= 11 мм; δ_п= 3 мм;
максимальные размеры составляют:
R=109 мм; r=48 мм; r_п=92 мм; r_ц=75 мм; δ_ц= 18 мм; δ_п= 7 мм.

Оптимальным следует считать размеры элементов, определенные средними значениями:
R=108 мм; r=44; r_п=89 мм; r_ц=70 мм; δ_ц= 14 мм; δ_п= 4 мм.

Для сравнения полосы частоты предлагаемой антенны и прототипа был изготовлен образец прототипа, размеры которого были выбраны исходя из обеспечения резонансной частоты 650 МГц. На фиг.4 представлены графики измеренных КБВ прототипа и заявленной антенны. Измерения показали, что при примерно одинаковых габаритах полоса частот прототипа не превышает 1.1,5% т.е. в 3.4 раза меньше, чем у предлагаемой антенны.

Указанное преимущество позволяет применять заявленную антенну на радиолиниях, работающих в режиме ППРЧ, который, как известно, обеспечивают более высокую помехозащищенность радиоканалов.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи на летно-подъемных средствах. Целью изобретения является создание кольцевого излучателя с увеличенной полосой рабочих частот при формировании широкой диаграммы направленности. Кольцевой излучатель состоит из металлического кольца 1, размещенного с диэлектрическим зазором над проводящей плоскостью 2. В металлическом кольце дополнительно прорезаны концентрические секторные щели 3 и 4 в пределах секторного угла α, составляющего 50...80^o. Приведены соотношения геометрических размеров элементов конструкции и варианты их исполнения. 2 з. п. ф-лы, 5.

1. Кольцевой излучатель, содержащий металлическое кольцо, расположенное на диэлектрической подложке параллельно проводящей плоскости, и коаксиальный фидер, связанный центральным проводником с металлическим кольцом, а экранной оболочкой с проводящей плоскостью, отличающийся тем, что в металлическом кольце дополнительно вырезаны концентрические секторные щели, расположенные симметрично относительно радиуса, соединяющего центр кольца и точку подключения центрального проводника фидера к металлическому кольцу, расположенный на внешней кромке металлического кольца. 2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что в металлическом кольце вырезаны две концентрические секторные щели. 3. Излучатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что внешний R и внутренний r радиусы металлического кольца выбраны в соотношении 2,6 2,2, концентрические секторные щели вырезаны в пределах секторного угла α, составляющего 50 60^o, причем ширина щели, прилегающей к центру кольца, d_ц, равная (0,2 - 0,3) (R r), и периферийной щели δ_п относятся как δ_ц/δ_п = 3,0 - 2,5, а их оси симметрии отстоят от центра металлического кольца на расстоянии, составляющем соответственно r_n (0,7 0,62)R и r (0,8 0,86)R, причем внешний радиус R составляет λ_д.ср/(3,86 - 3,88),
где
ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость среды в зазоре между металлическим кольцом и проводящей плоскостью;
λ_o - длина волны в свободном пространстве.