СЛАБОНАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q13/10 

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

Известны некоторые варианты построения антенн аналогичного назначения (авт. св. СССР N 1573488, 12.05.88; авт. св. СССР N 1573487, 04.05.88; авт. св. СССР N 1524117, 15.10.87), которые имеют некоторые признаки, сходные с признаками заявляемого решения.

Известные варианты имеют одну или несколько излучающих пластин, согласующие элементы, устройства возбуждения, металлический экран, могут иметь диэлектрическое заполнение.

Недостатком аналогов является слабая развязка с параметрами окружающей среды, узкая рабочая полоса частот, а также необходимость использования согласующих элементов, невысокая прочность и устойчивость функционирования.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному устройству аналогом является антенна, описанная в (авт. св. СССР N 1467628, 07.04.87). Прототип включает в себя металлический дисковый излучающий элемент, расположенный параллельно экрану, центр которого посредством замыкателя соединен с экраном, питающий фидер, внутренний проводник которого соединен через штыревой возбуждающий зонд с металлическим излучающим элементом, а внешний проводник с экраном, и пассивный согласующий элемент, расположенный между излучающим элементом и экраном диаметрально противоположно штыревому возбуждающему зонду относительно центра излучающего элемента. Такая антенна имеет повышенный коэффициент усиления.

Недостатками прототипа являются узкая рабочая полоса частот и невысокая стабильность параметра из-за влияния окружающей среды.

Целью изобретения является увеличение рабочей полосы частот целевой антенны при повышенной устойчивости функционирования.

Поставленная цель достигается тем, что в известной антенне, содержащей металлический диск, расположенный параллельно экрану и с помощью вертикального короткозамыкателя электрически связанный в центре с экраном, цилиндрический проводник, размещенный соосно с металлическим диском и нижней кромкой электрически связанный с экраном короткозамыкатель выполнен в виде трубчатого проводника. В полость между экраном и металлическим диском по обе стороны относительно короткозамыкателя введены две двухпроводные линии, проводники которых расположены в плоскостях, параллельных вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии металлического диска, на одинаковом удалении по обе стороны от этой плоскости. Примыкающие к которкозамыкателю первых, лежащих в одной плоскости, проводников этих линий посредством отрезка провода, проходящего через отверстия, выполненные в короткозамыкателе, подключены к центральному проводнику коаксиального фидера. Периферийные концы вторых проводников, лежащих в одной плоскости, замкнуты, соответственно на металлический диск и на экран.

Радиус цилиндрического проводника R₂= λ_o/4, где λ_o длина волны в свободном пространстве, а его высота h (0.15 0,2)R₂. Радиус излучающего диска R₁ выбран R₁ R₂/(1.1 1.6). Высота которкозамыкателя b 2h/3. Внутренняя полость антенны может быть заполнена диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r В этом случае R₂ λ_д/4, где λ_д длина волны в диэлектрике, Высота цилиндрического проводника h (0,15 -0,2)R₂.

Перечисленная совокупность существенных признаков позволяет в заявленном устройстве значительно повысить полосу рабочих частот (с 10 15% до 30 35%) при повышенной развязке с параметрами окружающей среды. Повышенная развязка достигается использованием цилиндрического проводника. Увеличение рабочей полосы частот осуществляется за счет компенсации реактивности с помощью связанной полосковой линии и трансформирующих свойств отрезка круглого волновода, образованного излучающим диском и цилиндрическим проводником.

На фиг. 1 изображена слабонаправленная антенна, вид сверху; на фиг. 2 - структура антенны в сечении А-А; на фиг. 3 структура антенны в сечении Б-Б; на фиг. 4 диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости при возбуждении одной связанной полосковой линией; на фиг. 5 диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости при возбуждении одной связанной полосковой линией; на фиг. 6 диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости при возбуждении двумя связанными полосковыми линиями в фазовой квадратуре; на фиг. 7 диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости при возбуждении двумя связанными полосковыми линиями в фазовой квадратуре.

Заявленная антенна, показанная на фиг. 1 3, содержит металлический экран 1, металлический диск 2 радиусом R₁, короткозамыкатель 3, цилиндрический проводник 4 высотой h, две двухпроводные линии 5. Цилиндрический проводник 4 имеет радиус R₂ λ_o/4 где λ_o длина волны в свободном пространстве. Высота которкозамыкателя b 2h/3. Цилиндрический проводник 4 имеет электрический контакт с экраном по всему периметру проводника. Короткозамыкатель расположен в центре антенны и имеет электрический контакт с экраном и излучающим диском. Короткозамыкатель выполнен в виде трубчатого проводника и имеет два сквозных отверстия. Отверстия расположены на оси металлической полоски а связанной полосковой линии 5. Радиус отверстий произвольный, но должен отсутствовать электрический контакт полоски а и короткозамыкателя. В центре антенны экран имеет сквозное отверстие радиусом, равным радиусу трубчатого проводника короткозамыкателя. Радиус излучающего диска выбран R₁ R₂/(1,1 -1,6).

Две двухпроводные линии (фиг. 1) образованы проводниками а (б) и частью проводника а, зеркально расположенной относительно вертикальной плоскости к проводнику в (б), проходящей через ось 00'. Примыкающие к короткозамыкателю концы проводников первой и второй двухпроводных линий (фиг. 1) соединяются дополнительным отрезком проводника. Дополнительный отрезок проводника в центре подключается к центральному проводнику фидера.

Периферийные концы проводника а представляют собой открытые контуры различной конфигурации. Конфигурация может быть полукруглая, полуэллиптическая, П-образная, Г-образная, спиральная или другой аналогичной формы. На фиг. 2, 3 приведен частный случай: П-образный контур. Периферийные концы проводника а не имеют электрического контакта с экраном и излучающим диском, причем являются диагонально зеркальны относительно точки подключения центрального проводника фидера в вертикальной плоскости. Ширина контура может быть произвольной. Проводники б и в зеркальны проводнику а относительно оси 00', причем проводник в имеет электрический контакт с экраном. Электрический контакт проводников б и в осуществляется периферийными концами открытых контуров. Проводники б и в имеют прямолинейную часть и открытый контур. Длина прямолинейной части выбирается произвольно. Центральный проводник фидера подключается к середине проводника а внутри трубчатого проводника короткозамыкателя. Внешний проводник фидера подключается к экрану в месте соединения короткозамыкателя и экрана.

Внутренняя полость антенны может быть заполнена диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r при этом R₂= λ_д/4, где λ_д длина волны в диэлектрике, высота h (0,15 0,2)R₂.

Антенна работает следующим образом.

При подключении антенны к генератору в металлическом проводнике а связанной полосковой линии протекает ток и возникает электрическое поле. Силовые линии электрического поля охватывают проводники б и в, расположенные в непосредственной близости от проводника а. Поскольку электрические поля, возникающие вокруг этих проводников, существуют не только в непосредственной близости от каждого из них, появляется взаимодействие между ними за счет краевых полей, величина которых зависит от разности потенциалов между проводниками и их формы, расстояния между ними и параметров диэлектрического заполнения. Отрезки связанных полосковых линий резонируют на определенных частотах, возбуждая поле в кольцевой щели, образованной оболочкой металлического цилиндрического проводника и излучающим диском. Разность высот цилиндрического проводника и короткозамыкателя образует отрезок круглого волновода, обладающего трансформирующими свойствами для формирования требуемого амплитудно-фазового распределения на излучающей аппаратуре и диаграммы направленности.

Такая электродинамическая система из цилиндрического проводника 4, экрана 1, излучающего диска 2 с короткозамыкателем 3 и связанной полосковой линией 5 способствует повышению устойчивости параметров антенны к воздействию внешних параметров (факторов) окружающей среды и расширению полосы частот при выборе размеров R₁, R₂, h, b в пределах, указанных в формуле изобретения. Размеры R₁, R₂, b, выбраны таким образом, чтобы реактивные составляющие входного сопротивления антенны были скомпенсированы максимально возможным образом.

Для проверки возможности достижения поставленной цели был изготовлен образец предлагаемой антенны для работы в диапазоне частот 500 800 МГц, при этом антенна имела следующие размеры: R₂ 60 мм, h 16 мм, b 10 мм, расстояние между проводниками а и б, а также между а и b связанной полосковой линии равны 1,5 мм. Радиус излучающего диска R₁ 50 мм, ширина периферийного контура равна ширине щели (R₂ R₁) 10 мм. Объем был заполнен диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r 4. Результаты измерений входного сопротивления антенны представлены на (фиг. 8), из которого видно, что полоса рабочих частот по уровню коэффициента бегущей волны КБВ ≥ 0,5 составляет 35% Размеры радиуса излучающего диска R₁ и высоты h цилиндрического проводника выбраны из условий R₁ R₂/(1,1 1,6), h (0,15 0,2)R₂, R₂ λ_д/4. Соблюдение этих пределов, а также выбор величин R₂ и b в соответствии с размерами, указанными в формуле изобретения позволяет достичь желаемого эффекта. Результаты измерений диаграммы направленности антенны при возбуждении одной связанной полосковой линией для вертикальной и горизонтальной плоскости представлены на фиг. 4, 5. Результаты измерений диаграммы направленности при возбуждении антенны в фазовой квадратуре двумя связанными полосковыми линиями для горизонтальной и вертикальной плоскости представлены на фиг. 6, 7.

Для сравнения полосы частот и коэффициента усиления предлагаемой антенны и прототипа был изготовлен образец прототипа, размеры которого были выбраны исходя из обеспечения резонансной частоты f₀ 650 МГц. Сравнительные изменения показали, что при эквивалентном коэффициенте усиления предлагаемой антенны и прототипа, полоса частот прототипа составляет 15 16% т.е. примерно вдвое меньше, чем у предлагаемой антенны.

Указанные преимущества дают основание ожидать повышения помехозащищенности и эффективности функционирования радиолиний с использованием заявленной антенны.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике. Обеспечивается расширение рабочих частот, повышается устойчивость функционирования излучателя. Антенна содержит излучающий диск 2, расположенный параллельно экрану 1, в центре замкнутый на экран. Между излучающим диском и экраном установлен возбуждающий элемент в виде связанной двухсторонней полосковой линии. Внешние концы связанной линии представляют собой открытый контур. В частном случае контур может быть П-образным. Один проводник 3 связанной полосковой линии подключен к фидеру в центре антенны. Периферийные концы двух других проводников 5, 7 с одной стороны подключены к излучающему диску, а с другой стороны - к экрану. Параллельно кромке излучающего диска к экрану подключен цилиндрический проводник высотой , где λ_o - длина волны в свободном пространстве. Радиус проводника R₂= , радиус излучающего диска R₁ = R₂/(1,1 - 1,6), высота короткозамыкателя излучающего диска на экран равна b = 2h/3. При заполнении внутренней полости диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε_r , основные габаритные размеры определяются выражениями: h = (0,15 - 0,2) R₁, R₂= λ_д/4 , где λ_д - длина волны в диэлектрике, . 2 з.п. ф-лы. 8 ил.

1. Слабонаправленная антенна, содержащая металлический диск, расположенный параллельно экрану и с помощью вертикального короткозамыкателя электрически связанный в центре с экраном, цилиндрический проводник, размещенный соосно с металлическим диском и нижней кромкой электрически связанный с экраном, и коаксиальный фидер, внешним проводником подключенный к экрану, отличающаяся тем, что короткозамыкатель выполнен в виде трубчатого проводника, а в полость между экраном и металлическим диском по обе стороны относительно короткозамыкателя введены две двухпроводные линии, проводники которых расположены в плоскостях, параллельных вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии металлического диска, на одинаковом удалении по обе стороны от этой плоскости, примыкающие к короткозамыкателю концы первых, лежащих в одной плоскости, проводников этих линий посредством отрезка провода, проходящего через отверстия, выполненные в короткозамыкателе, подключены к центральному проводнику коаксиального фидера, периферийные концы вторых проводников, лежащих в одной плоскости, замкнуты соответственно на металлический диск и на экран. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что радиус R₂ окружности, вдоль которой установлен цилиндрический проводник, электрически связанный с экраном, выбран равным четверти длины рабочей волны в свободном пространстве -λ_o и радиус R₂ соотносится с радиусом металлического диска R₁ как R₂ / R₁ 1,1 ^oC 1,6, высота цилиндрического проводника h выбрана из условия h (0,15 ^oC 0,2) R₂, а высота b короткозамыкателя из условия b 2h/3. 3. Антенна по п.1 и/или 2, отличающаяся тем, что внутренняя полость заполнена диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r, при этом R₂ =λ_q/4, где λ_q- длина волны в диэлектрике,