ПЛОСКАЯ РЕЗОНАНСНАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q1/36 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве малогабаритной широкополосной антенны для приема сигналов ЧМ радиовещания, телевизионного вещания в метровом и дециметровом диапазоне волн, а также в системах радиообнаружения и в связных радиосистемах различного назначения.

Известны плоские резонансные антенны, состоящие из набора последовательно соединенных петлевых несимметричных вибраторов, плотно намотанных вокруг общего центра, расположенных радиально на диэлектрическом основании [1] Выполнение приемной системы из ряда последовательно соединенных плотно намотанных вокруг общего центра петлевых проводников позволяет получить компактную конструкцию антенны. Наличие большого количества последовательно соединенных петлевых вибраторов различной длины позволяет реализовать многорезонансную характеристику входного сопротивления антенны и широкополосные свойства.

Общими признаками с предлагаемым устройством являются выполнение антенны в виде ряда изогнутых и плотно намотанных вокруг общего центра проводников, расположенных на диэлектрическом основании, что определяет резонансные и широкополосные свойства антенны.

Однако известные плоские резонансные антенны не обеспечивают всенаправленность характеристик приема сигналов, так как имеют глубокий нуль в диаграмме направленности. Кроме того, сложность схемы возбуждения антенны не позволяет практически реализовать широкополосность излучающей структуры.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является плоская резонансная антенна, содержащая открытый резонатор в виде многовитковой арифметической спирали, выполненной из ленточного проводника на диэлектрическом основании, при этом ширина зазоров между витками спирали выбрана одинаковой и равной ширине ленточного проводника спирали, и виток связи, подключенный к внутреннему и внешнему проводникам коаксиального фидера [2]
Общими признаками у данной и предлагаемой антенн являются наличие открытого резонатора в виде многовитковой арифметической спирали, которая выполнена из ленточного проводника, расположенного на диэлектрическом основании, при этом ширина зазоров между витками спирали выбрана одинаковой и равной ширине ленточного проводника спирали, и витка связи, подключенного к внутреннему и внешнему проводникам коаксиального фидера. Выполнение проводника открытого резонатора в виде многовитковой арифметической спирали с указанной шириной зазоров и расположение витка связи во внутренней области резонатора позволяют уменьшить габариты резонансной антенны.

Однако известная плоская резонансная антенна узкополосна, так как взаимное расположение проводников антенны не позволяет расширить диапазон рабочих частот в сторону длинных волн путем увеличения числа витков n спирали более четырех. Объясняется это тем, что при n > 4 уменьшается величина индуктивной связи спирали с витком связи как за счет уменьшения электрических размеров витка связи, так и удаления от него периферийных витков спирали. Это приводит к резкому падению сопротивления излучения антенны, что затрудняет согласование ее входного сопротивления с волновым сопротивлением коаксиального фидера.

В изобретении решается задача создания широкополосной приемной плоскости антенны, охватывающей диапазон метровых и дециметровых волн, имеющей в этих диапазонах простую и компактную конструкцию, позволяющую скрытно размещать антенну в помещениях и на транспортных средствах, и обладающей всенаправленными свойствами в плоскости антенны.

Это достигается тем, что в плоской резонансной антенне, содержащей открытый резонатор в виде многовитковой арифметической спирали, выполненной из ленточного проводника на диэлектрическом основании, при этом ширина зазоров между витками спирали выбрана одинаковой и равной ширине ленточного проводника спирали, и виток связи, подключенный к внутреннему и внешнему проводникам коаксиального фидера, виток связи выполнен в виде ленточного проводника, охватывающего спираль с зазором, ширина которого равна ширине зазоров между витками арифметической спирали, при этом в середине витка связи выполнен разрыв, в который включена согласованная нагрузка, сопротивление которой равно волновому сопротивлению коаксиального фидера, причем длина l₁ витка связи выбрана равной , а ширина W₁ ленточного проводника витка связи выбрана равной w₁ = 0,03λ₂, где λ₁ наибольшая длина волны рабочего диапазона, λ₂ наименьшая длина волны рабочего диапазона; начало проводника арифметической спирали подключено к внутреннему проводнику коаксиального фидера, длина ленточного проводника арифметической спирали выбрана кратной половине наибольшей рабочей длины волны в открытом резонаторе, а ширина W₂ ленточного проводника арифметической спирали выбрана равной w₂ = 0,01λ₂.

Предлагаемая антенна вследствие своей широкополосности может использоваться для приема сигналов как ЧМ радиовещания и телевидения, так и в диапазонах рабочих частот связных систем различного назначения. Компактная конструкция и малые габариты, а также всенаправленность характеристик излучения позволяют использовать ее в качестве широкополосной комнатной телевизионной антенны, когда обычно используются вибраторные антенны телескопического типа, а в дециметровом диапазоне-направленные антенны с пассивными вибраторами. Плоская конструкция предлагаемой антенны позволяет скрытно размещать ее на крыше автомобиля, а широкополосные свойства позволяют использовать ее в качестве всеволновой антенны вместо применяемых в настоящее время узкополосных штыревых антенн.

При осуществлении изобретения расширяется рабочий диапазон частот антенны и улучшается согласование ее с коаксиальным фидером. При этом в широкой полосе частот реализуется всенаправленная диаграмма с малой изрезанностью в плоскости антенны.

Не было выявлено решения плоской резонансной антенны, в которой виток связи располагался во внешней области открытого резонатора и был в разрыве нагружен на согласованную нагрузку, сопротивление которой равно волновому сопротивлению коаксиального фидера, и который имел бы геометрию (электрические размеры), идентичную с геометрией предлагаемой антенны. Это обеспечивает расширение рабочего диапазона антенны и улучшение согласования ее с коаксиальным фидером. Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретательского уровня.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемой плоской резонансной антенны; на фиг.2 показано размещение антенны на металлической поверхности крыши транспортного средства; на фиг.3 показано протекание токов по проводникам антенны; на фиг.4 представлены результаты экспериментального исследования частотной зависимости КСВН предлагаемой антенны на выходе питающего коаксиального фидера с волновым сопротивлением Z₀ 50 Ом.

Предлагаемая плоская резонансная антенна состоит из открытого резонатора 1, витка связи 2 и коаксиального фидера 3. Открытый резонатор 1 выполнен в форме арифметической спирали 4 с числом витков n > 1,25; которые расположены в одной плоскости вокруг общего центра 5. Витки спирали 4 выполнены из ленточного проводника 6, расположенного на диэлектрическом основании 7. Ширина w₂ ленточного проводника спирали 4 выбрана равной w₂ = 0,01λ₂, где λ₂ - наименьшая длина волны рабочего диапазона. Ширина Δ₂ зазоров между витками спирали 4 выбрана одинаковой и равной Δ₂ = w₂. Длина l₂ ленточного проводника 6 спирали 4 выбрана равной , где N 1,2,3. Λ₁ наибольшая рабочая длина волны в открытом резонаторе. Для открытого резонатора в виде многовитковой арифметической спирали, выполненной на диэлектрическом основании с зазором между витками Δ₂ = w₂, длина волны Λ₁ может быть определена как

где λ₁ наибольшая длина волны рабочего диапазона в свободном пространстве;
ε_r относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрического основания 7.

Начало ленточного проводника 6 арифметической спирали 4 подключено в точке а к внутреннему проводнику 8 коаксиального фидера 3. Виток связи 2 представляет собой рамку, выполненную из ленточного проводника 10,охватывающего спираль 4 с зазором 11 и совмещенного с ней в одной плоскости. Общая длина l₁ рамки выбрана равной l₁ 2S₁ + 2S₂. Рамка может иметь круглую, квадратную или прямоугольную форму. Ширина w ленточного проводника 10 витка связи 2 выбрана равной w₁ = 0,03λ₂. Ширина Δ₁ зазора 11 выбрана равной Δ₁ = Δ₂ В середине витка связи 2 выполнен разрыв 12, в который включена согласованная нагрузка 13, сопротивление R_н которой выбрано равным R_н Z₀, где Z₀ волновое сопротивление коаксиального фидера 3. Виток связи 2 подключен к точкам ab ввода 14 антенны. К точкам ab ввода 14 также подключены проводники 8 и 9 коаксиального фидера 3. Ленточные проводники 6 и 10, а также ввод 14 антенны располагаются на диэлектрическом основании 7. Они могут быть выполнены методом травления (печатной технологии) с использованием фотошаблона и фольгированного высокочастотного диэлектрика типа стеклотекстолита толщиной h 0,5.2,0 мм или методом напыления на тонкой (h 50 мкм) полиэтилентерефталатной пленке.

Такая плоская антенна, выполненная на пленке, может закрепляться на крыше 15 транспортного средства, например, автомобиля с помощью адгезивного слоя 16, как показано на фиг.2. Сверху она может быть покрыта тонким слоем радиопрозрачной краски, что делает ее практически невидимой. Ввод 14 антенны через оконный проем 17 транспортного средства заводится в его салон, где к нему подключаются проводники 8 и 9 фидера 3. Вследствие малой толщины пленочного исполнения предлагаемой антенны ее можно скрытно размещать на крыше или других наружных поверхностях транспортного средства, а также на плоских поверхностях как внутри, так и снаружи здания приемного пункта без ухудшения электрических характеристик.

Предлагаемая плоская резонансная антенна работает следующим образом. Падающая на открытый резонатор 1 электромагнитная волна возбуждает в проводнике 6 открытого резонатора 1 стоячие волны тока, резонирующие на частоте, на которой выполняется условие

где N 1,2,3.

Λ длина волны в открытом резонаторе.

За счет индуктивной связи между проводником 6 открытого резонатора 1 и витком связи 2, а также кондуктивной связи в точке а проводника 6 с витком связи 2, в точках аb подключения витка связи 2 к коаксиальному фидеру 3 возникает ЭДС, возбуждающая колебания электромагнитной энергии, распространяющиеся в виде ТЕМ-волны по коаксиальному фидеру 3 к приемнику. Поскольку длина l₂ проводника 6 открытого резонатора 1 выбрана кратной половине наибольшей рабочей длины волны в открытом резонаторе, то условие резонанса (2) будет выполняться для множества более коротких волн, когда вдоль проводника 6 будет укладываться целое число стоячих полуволн. Для снижения резонансного возрастания входного сопротивления антенны ширина ленточного проводника 6 спирали 4 выбрана равной w₂ = 0,01λ₂. При этом уменьшается волновое сопротивление колебательного контура, эквивалентного открытому резонатору. Таким образом, предлагаемая антенна по своему принципу действия является многорезонансной, а поэтому и широкополосной. Резонансные длины волн антенны определяются из (2) как

где N 1,2,3.

Возникающее при резонансах проводника 6 сопротивление излучения R_Σ трансформируется в виток связи 2, и на него оказывается нагруженным вход аb фидера 3 антенны. Для повышения КПД витка связи 2 его длина выбрана равной , а ширина w₁ = 0,03λ₂. Трансформация R_Σ проводника 6 ко входу питающего фидера осуществляется при большом числе витков спирали 4 (n > 1,25), то есть в широкой полосе частот. Объясняется это тем, что виток связи 2 охватывает спираль 4, а поэтому имеет с ней индуктивную связь на участке большой протяженности и, кроме того, проводник 6 спирали 4 имеет в точке а кондуктивную связь с витком 2. Это облегчает согласование предлагаемой антенны с питающим коаксиальным фидером в широкой полосе частот. Для обеспечения в питающем фидере 3 режима бегущих волн в середине витка связи 2 включена согласованная нагрузка 13, сопротивление которой R_н Z₀. Это улучшает согласование антенны с питающим коаксиальным фидером в широкой полосе частот, что подтверждается экспериментальными данными частотной зависимости КВСН антенны, представленными на фиг.4. Диапазон рабочих частот предлагаемой антенны от 25 до 1000 Мгц.

Размещение предлагаемой плоской резонансной антенны на металлической поверхности (фиг.2) принципиально не нарушает режима бегущих волн в фидере 3 и не изменяет существенно характера согласования антенны с фидером, а лишь смещает кривую согласования в сторону длинных волн. Это объясняется тем, что спиральный проводник 6 резонатора 1 приобретает дополнительную распределенную емкость, которая увеличивает эффективную относительную диэлектрическую проницаемость e_r диэлектрического заполнения резонатора и в соответствии с (1) уменьшает резонансную длину волны Λ₁. Это позволяет при заданных размерах антенны продвинуться в область более длинных волн. С увеличением количества витков n спирали 4 увеличивается число N укладывающихся вдоль проводника 6 стоячих волн тока. Это выравнивает распределение тока в плоскости спирали. При n ≥ 3 распределение тока приближается к равномерному, а диаграмма направленности в плоскости антенны становится практически всенаправленной.

С ростом n изрезанность всенаправленной диаграммы у предлагаемой антенны уменьшается. Кроме того, ток, протекающий по проводнику 6, имеет на противоположных сторонах спирали противоположное направление (см.фиг.3). Поэтому в направлении нормали к плоскости антенны, проходящей через ее центр 5, происходит компенсация излучения токовых витков спирали, и диаграмма направленности антенны имеет в этом направлении нулевое значение поля.

Таким образом, при размещении предлагаемой плоской резонансной антенны на металлической поверхности характеристика излучения антенны оказывается аналогичной характеристике излучения несимметричного вибратора с экраном (противовесом).

Выполнение проводника открытого резонатора в виде многовитковой арифметической спирали, подключенной к внутреннему проводнику питающего коаксиального фидера и имеющей длину, кратную половине наибольшей рабочей длины волны в открытом резонаторе, а витка связи в виде ленточного проводника, охватывающего спираль с зазором и нагруженного в разрыве на согласованную нагрузку, сопротивление которой R_н Z_o, позволяет расширить рабочий диапазон частот антенны и улучшить согласование ее с питающим коаксиальным фидером.

ЛИТЕРАТУРА
(56) 1. US, патент N 4318109, кл. Н 01 Q 9/00, 1991.

2. SU, авторское свидетельство N 1681357, кл. Н 01 Q 9/00, 1991.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве малогабаритной широкополосной антенны для приема сигналов ЧМ радиовещания, телевизионного вещания в метровом и дециметровом диапазонах волн, а также в системах радиообнаружения и в связных радиосистемах различного назначения. Предлагается компактная конструкция плоской резонансной антенны, содержащей открытый резонатор в виде многовитковой арифметической спирали, расположенной на диэлектрическом основании; виток связи, охватывающий спираль с зазором, подключенный к внутреннему и внешнему проводникам питающего коаксиального фидера и нагруженный в разрыве на согласованную нагрузку, сопротивление которой равно волновому сопротивлению коаксиального фидера. Подключение начала спирали к внутреннему проводнику питающего коаксиального фидера, выбор длины проводника спирали, кратной половине наибольшей рабочей длины волны в открытом резонаторе, и длины витка связи, равной , где λ₁ - наибольшая длина волны рабочего диапазона, а также внешнее по отношению к спирали расположение витка и включение в его разрыв согласованной нагрузки позволяют расширить рабочий диапазон частот антенны и улучшить согласование ее с питающим фидером. Диапазон рабочих частот предлагаемой антенны - от 25 до 1000 МГц. 4 ил.

Плоская резонансная антенна, содержащая открытый резонатор в виде многовитковой арифметической спирали, выполненной из ленточного проводника на диэлектрическом основании, при этом ширина зазоров между витками спирали выбрана одинаковой и равной ширине ленточного проводника спирали, и виток связи, подключенный к внутреннему и внешнему проводникам коаксиального фидера, отличающаяся тем, что виток связи выполнен в виде ленточного проводника, охватывающего арифметическую спираль с зазором, ширина которого равна ширине зазоров между витками арифметической спирали, при этом в середине витка связи выполнен разрыв, в который включена согласованная нагрузка, сопротивление которой равно волновому сопротивлению коаксиального фидера, причем длина L₁ витка связи выбрана равной l₁ = λ₁/8, а ширина w₁ ленточного проводника витка связи выбрана равной w₁ = 0,03λ₂, где λ₁ - наибольшая длина волны рабочего диапазона, λ₂ - наименьшая длина волны рабочего диапазона, начало проводника арифметической спирали подключено к внутреннему проводнику коаксиального фидера, длина ленточного проводника арифметической спирали выбрана кратной половине наибольшей рабочей длины волны в открытом резонаторе, а ширина w₂ ленточного проводника арифметической спирали выбрана равной w₂ = 0,01λ₂.к