ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА Российский патент 1998 года по МПК H01Q9/02 

Изобретение относится к антенной технике, а именно к "коротким" широкополосным антеннам, и может применяться в качестве передающей или приемной антенны в системах радиосвязи, радиолокации, телевидения и радиовещания. Изобретение может использоваться как самостоятельная антенна и как элемент широкополосной фазированной антенной решетки.

Существует проблема излучения и приема сверхширокополосных сигналов, спектр которых занимает полосу частот две октавы и более. Для излучения и приема широкополосных сигналов с минимальными искажениями антенна должна иметь полосу пропускания, сравнимую с полосой частот, занимаемой спектром сигнала. Под полосой пропускания антенны здесь понимают интервал частот, в котором следующие характеристики, определяющие ее работоспособность, остаются неизменными или изменяются в допустимых пределах: направление максимума и форма диаграммы направленности, наличие и стабильное положение фазового центра, поляризационная характеристика, входной импеданс или степень согласования с фидером.

Такие известные широкодиапазонные антенны, как спиральные и логопериодические, для неискаженного излучения широкополосных сигналов не пригодны из-за отсутствия фазового центра или частотной зависимости его положения, хотя остальные указанные характеристики могут сохраняться в полосе три октавы и более. По этой же причине они мало пригодны для использования в качестве элементов широкополосных сканирующих антенных решеток. В то же время известно, что короткие вибраторы, размеры которых не превышают длину волны, имеют четко выраженный фазовый центр, а их характеристики направленности слабо зависят от частоты. Однако короткие вибраторы имеют сильную частотную зависимость входного импеданса (увеличивающуюся при уменьшении размеров антенны), что затрудняет их согласование в широкой полосе частот. Вследствие этого нижняя граница полосы пропускания короткой антенны однозначно определяется нижней границей полосы согласования. Сверху полоса пропускания ограничена, как правило, искажением формы диаграммы направленности. При использовании электрического диполя это происходит, если его размеры становятся больше 1,25 длины волны. Малые размеры антенны являются также необходимым условием возможности использования ее в качестве антенного элемента широкополосной сканирующей антенной решетки. Это обусловлено тем, что для исключения возникновения вторичных интерференционных максимумов диаграммы направленности расстояние между элементами решетки не должно превышать половину длины волны на верхней частоте рабочего диапазона. Следовательно, диапазон рабочих частот сканирующей антенной решетки определяется минимальным допустимым расстоянием между элементами, которое обычно принимается равным размеру антенного элемента.

Таким образом, проблема сводится к задаче уменьшения электрических размеров антенны и расширения полосы пропускания в сторону нижних частот без ухудшения ее эффективности. Известны способы решения проблемы, основанные на расширении полосы согласования короткого излучателя путем минимизации запаса реактивной энергии, представляющей собой разность между магнитной и электрической энергиями, запасенными в ближней зоне излучателя. Эта энергия определяет мнимую часть входного сопротивления антенны. Плотность реактивной энергии максимальна вблизи вибратора и быстро убывает при удалении от него.

Наиболее простой и известный способ уменьшения реактивной энергии в ближней зоне короткого излучателя заключается в увеличении его поперечных размеров, то есть исключении из ближней зоны некоторого объема, в котором плотность реактивной энергии максимальна. Этот широко используемый на практике способ позволяет заметно уменьшить частотную зависимость входного импеданса излучателя, но полностью исключить ее таким образом не удается.

Известны конструкции диапазонных вибраторов, реализующих этот способ, плечи которых выполнены из труб или пластин с большим поперечным сечением. Форма поперечного сечения может быть различной: круглой, прямоугольной, треугольной и т.д. К антеннам этого типа можно отнести такие широко известные конструкции, как диполь Надененко и биконический вибратор [1].

Другим, более эффективным способом расширения полосы согласования излучателя является применение принципа самодополнительности, то есть выполнение антенны в виде двух плоских взаимно дополнительных структур (так, чтобы одна из них могла быть получена из другой заменой проводящей части плоскости на эквивалентные по форме и размерам отверстия и наоборот). Теоретически входное сопротивление бесконечной взаимно дополнительной структуры не зависит от частоты и является вещественным.

Известна широкополосная антенна [2], выполненная согласно этому способу в виде плоского симметричного вибратора с плечами треугольной формы. Эта антенна удовлетворяет принципу самодополнительности. Недостатками антенны являются отсутствие направленности в H-плоскости; недостаточно широкая полоса пропускания (отношение крайних частот приблизительно равно трем) и необходимость использования для подключения коаксиального кабеля симметрирующе-согласующего устройства, что приводит к усложнению конструкции и дополнительному сужению полосы пропускания антенны.

В качестве прототипа выбрана широкополосная антенна [3], выполненная в виде плоского несимметричного вибратора, состоящего из металлической прямоугольной пластины, установленной перпендикулярно проводящей поверхности, образующей противовес, и средства для подключения оплетки коаксиального кабеля к противовесу, а внутренней жилы к вибратору. Недостатками прототипа являются отсутствие направленности в Н-плоскости недостаточно широкая полоса частот, в которой сохраняется форма диаграммы направленности, (отношение крайних частот приблизительно равно трем) и относительно большие габариты при использовании прототипа в качестве самостоятельной антенны, так как размеры противовеса должны быть не менее 1/2 максимальной рабочей длины волны.

Задачей изобретения является создание широкополосной антенны, преимущественно метрового и дециметрового диапазона длин волн, обладающей расширенной в сторону нижних частот полосой пропускания, увеличенной направленностью, сниженной материалоемкостью и уменьшенными габаритами.

В соответствии с поставленной задачей заявляемая в качестве изобретения широкополосная антенна, как и прототип, содержит несимметричный вибратор в виде пластины, противовес и средство подключения вибратора и противовеса к линии передачи. Антенна отличается от прототипа тем, что в ней противовес выполнен в виде прямоугольной пластины, изогнутой в плоскости, ортогональной пластине вибратора, своей первой стороной, а пластина вибратора расположена между кромками второй стороны пластины противовеса компланарно плоскости, включающей эти кромки.

Предпочтительно в качестве формы поперечного сечения цилиндра, по направляющей которой изогнута пластина противовеса, выбрать правильный многоугольник с четным числом углов. Форма правильного многоугольника является приближением к форме круга, наиболее типичной форме сечения цилиндра, и вместе с тем обеспечивает повышенные воспроизводимость и жесткость конструкции при уменьшенной металлоемкости. При этом четное число углов такого многоугольника позволяет дополнительно снизить наибольший из габаритов антенны, так как при этом раскрыв пластины может быть образован взаимно параллельными гранями пластины.

В любом предпочтении целесообразно выполнение средства подключения вибратора и противовеса к линии передачи в виде несимметричной полосковой линии, полосок которой соединен с кромкой пластины, образующей вибратор, и изогнут вдоль пластины, образующей противовес, которая является подложкой этой линии. Такое решение обеспечивает упрощение конструктивного исполнения антенны и дополнительное снижение ее материалоемкости за счет использования пластины противовеса в качестве подложки указанной полосковой линии. Вместе с тем, это упрощает обеспечение постоянства волнового сопротивления и исполнение такого средства для подключения вибратора и противовеса, так как его электрические параметры легко варьируются шириной и высотой расположения полоска над подложкой.

Целесообразно, включая упомянутые предпочтения, выполнить пластину вибратора квадратной и выбрать размер указанной первой стороны пластины противовеса превышающим размер стороны этого квадрата приблизительно в три раза. Такое соотношение в сочетании с указанными формой противовеса, а также формой и расположением вибратора обеспечивает оптимальное соотношение электрического и магнитного моментов конструктивных составляющих антенны в полосе частот не менее двух октав.

В последнем предпочтении целесообразно выполнение размера второй стороны пластины противовеса превышающим размер стороны пластины вибратора приблизительно в два раза. Установлено, что такое соотношение обеспечивает оптимум характеристик по материалоемкости и направленности. При этом увеличение ширины пластины увеличивает материалоемкость, а уменьшение ухудшает степень направленности антенны.

На фиг. 1 и 2 показано конструктивное исполнение предлагаемой широкополосной антенны в предпочтительном осуществлении, где на фиг. 1 - вид спереди; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Предлагаемая широкополосная антенна содержит несимметричный вибратор 1, выполненный в виде пластины квадратной формы (фиг. 1), противовес 2, выполненный в виде прямоугольной пластины, изогнутой в плоскости, ортогональной пластине вибратора, своей длинной (первой) стороной по направляющей в виде половины правильного восьмиугольника (фиг. 2). Пластина вибратора 1 расположена в плоскости, проходящей через кромки 3 второй стороны пластины противовеса 2, и между этими кромками 3. Такое расположение пластины вибратора 1 обеспечивается держателем 4, выполненным в виде пластины из диэлектрика, расположенной в области кромок 3 пластины противовеса 2 параллельно этим кромкам 3. Пластина вибратора 1 прикреплена к поверхности пластины-держателя 4 с помощью клея или винтов (не показаны). Пластина-держатель 4 своими противоположными кромками таким же образом скреплена с пластиной противовеса 2 в области ее кромок 3.

Антенна содержит также полосок 5, соединенный с одной из кромок 6 пластины вибратора 1, расположенной над поверхностью пластины противовеса 2 и изогнутой продольно этой поверхности подобно ее изгибам. Полосок 5 и часть пластины противовеса 2 в качестве подложки образуют несимметричную полосковую линию, которая завершается полосково-коаксиальным переходом 7 и разъемом 8 для подключения коаксиального кабеля 9 снижения (кабельной линии). Высота и положение полоска 5 над подложкой фиксируется диэлектрическими прокладками 10 прикрепленными к поверхности пластины противовеса 2 клеем или винтами и к полоску 5 с помощью паза (не показано). Таким образом указанная полосковая линия образует средство для подключения вибратора и противовеса к линии передачи.

В изложенном конструктивном исполнении предлагаемой антенны длина стороны пластины вибратора 1 для ее преимущественной квадратной формы составляет 1/10 заданной максимальной рабочей длины волны. Длина и ширина прямоугольной пластины противовеса 2, изогнутой своей длинной стороной по образующей правильного восьмиугольника (фиг. 2), составляют соответственно три и два размера указанного квадрата. Такой размер пластины вибратора 1 в сочетании с указанными признаками конструктивного исполнения пластины противовеса и предпочтительной ее длины, составляющей около трех длин пластины вибратора, исключает резонансные явления в полосе пропускания не менее двух октав.

Форма изгиба пластины противовеса 2 (фиг. 2) по направляющей половины цилиндра, в качестве формы поперечного сечения которого выбран правильный многоугольник, является достаточно оптимальным приближением к типичному сечению цилиндра в виде круга. При этом, как видно из фиг. 2 четное число углов обеспечивает параллельность боковых поверхностей пластины противовеса 2 в областях, примыкающим к ее кромкам 3, то есть некоторое дополнительное уменьшение габаритов при сохранении направленности антенны. Однако в качестве приемлемых форм изгиба пластины противовеса возможны и иные формы поперечного сечения полуцилиндра, близкие к форме поперечного сечения тела вращения.

Прямоугольная форма пластины противовеса 2 и квадратная форма пластины вибратора 1, кроме очевидной простоты и технологичности исполнения обеспечивают в предлагаемом конструктивном решении достижение сочетания уменьшенных габаритов и материалоемкости, и увеличенных полосы пропускания и направленности антенны. При этом квадратная форма пластины вибратора 1 и ориентация ее кромок 6 параллельно кромкам 3 пластины противовеса 2 не являются единственно приемлемыми. Иная форма пластины вибратора 1 (прямоугольная с неравными сторонами, круглая и т.п.) и/или иная ее ориентация в указанной плоскости возможны и связаны лишь некоторым усложнением расчетно-настроечных процедур.

Для пояснения работы предлагаемой широкополосной антенны отметим следующее. Предложенную конструкцию широкополосной антенны можно рассматривать как комбинацию электрического и магнитного излучателей. Электрическим излучателем является несимметричный вибратор, образованный пластиной 1, расположенной между параллельными кромками пластины противовеса 2. Пластина вибратора 1 возбуждается полосковой линией, образованной полоском 5 и частью пластины противовеса 2 в качестве подложки. Магнитный излучатель образован витком тока, включающим изогнутую по образующей половины цилиндра прямоугольную пластину противовеса 2, указанную полосковую линию, пластину вибратора 1 и емкостный зазор между поверхностью пластины противовеса 2, примыкающими к ее кромке 3 и обращенной к ней кромке 6 пластины вибратора 1. Указанный виток является аналогом магнитного вибратора, ориентированного вдоль оси витка, и характеризуется тем, что на частотах ниже частоты первого резонанса (где периметр витка составляет половину длины волны) его импеданс имеет индуктивный характер, а запас магнитной энергии превышает запас электрической энергии. Упомянутый выше электрический вибратор характеризуется тем, что на частотах ниже первого резонанса его импеданс имеет емкостный характер, то есть в его ближней зоне преобладает запас электрической энергии. При подаче сигнала на вход антенны одна часть сигнала через полосковую линию возбуждает электрический вибратор, другая часть возбуждает упомянутый виток. Выбранные размеры обеспечивают такое соотношение электрического и магнитного моментов в антенне, при котором разность запасов электрической и магнитной энергий в ближней зоне антенны близка к нулю на частотах выше нижней граничной частоты полосы пропускания, на которой размер пластины вибратора 1 составляет примерно 1/10 длины волны. Это обеспечивает минимизацию реактивной составляющей импеданса антенны и уменьшает частотную зависимость вещественной составляющей, так как с уменьшением частоты увеличивается плотность энергии в ближней зоне антенны, вследствие чего повышается доля излученной мощности. Кроме расширения полосы согласования в сторону нижних частот предложенная конструкция и выбранные соотношения размеров обеспечивают формирование кардиоидной диаграммы направленности и сохранение ее формы в полосе частот не менее двух октав.

Промышленная применимость и преимущества изобретения по сравнению с прототипом подтверждены испытаниями широкополосной антенны, изготовленной в соответствие с изобретением, где пластина вибратора 1, полосок 5 и пластина противовеса 2 выполнены из листового алюминия толщиной 1 мм. Разъем 8 для подключения коаксиального кабеля 9 установлен в средней точке пластины противовеса 2.

Измерения проводились в полосе частот не менее двух октав, при этом на нижней частоте размер вибратора не превышал 0,1 длины волны. Измеряемыми характеристиками являлись коэффициент бегущей волны (КБВ), коэффициент усиления (КУ) и глубина нуля (ГН) диаграммы направленности (коэффициент защитного действия). Результаты измерений приведены в таблице.

Использование предложенной широкополосной антенны в качестве элемента фазированной антенной решетки с сектором сканирования не менее 90 градусов позволило расширить полосу рабочих частот решетки до двух октав.

При использовании предложенной антенны в качестве излучателя сверхширокополосных сигналов установлено, что при подаче на ее вход биполярного импульса длительностью 2 нс (более 90% энергии которого сосредоточено в полосе частот 200-1200 МГц) излучается не менее 80% энергии импульса и длительность его увеличивается не более) чем на 30%.

Для использования предложенной конструкции широкополосной антенны в качестве телевизионной антенны дециметрового диапазона были изготовлены образцы антенн с габаритами 150х150х80 мм, проводящие элементы которых выполнены из листовой стали толщиной 0,5 мм. Масса антенны вместе с элементами крепления не превышала при этом 0,5 кг. Испытания в различных условиях приема показали, что в условиях города антенна обеспечивает уверенный прием телевизионных программ 3, 4 и 5 диапазонов (170 - 790 МГц) и может размещаться на балконе, на стене, в оконном проеме или использоваться как комнатная. В дециметровом диапазоне при размещении антенны выше третьего этажа и при отсутствии прямого затенения сигнала ближними зданиями прием телевизионных программ осуществлялся с удовлетворительным качеством на расстояниях до 70 км.

Источники информации, использованные при составлении описания.

1. Г.Н. Кочержевский, Г.А.Ерохин, Н. Д.Козырев, ЮЯ Антенно- фидерные устройства. М.: Радио и связь, 1989. 352 с., с. 138-146.

2. Там же, с. 148.

3. Сверхширокополосные антенны. Перевод с англ./Под ред. Л.С. Бененсона. М.: Мир, 1964. 416 с. с. 399-402.

Изобретение предназначено для применения с системах телевидения, радиовещания, радиосвязи и радиолокации в качестве самостоятельной антенны или элемента широкополосной фазированной антенной решетки. Антенна обладает полосой пропускания не менее двух октав, кардиоидной диаграммой направленности диаграммой направленности и наибольшим из габаритных размеров, не превышающим 0,2 наибольшей рабочей длины волны. Предлагаемая антенна содержит вибратор в виде пластины 1 преимущественно квадратной формы, противовес в виде пластины 2, средство для подключения вибратора и противовеса к линии передачи и отличается тем, что пластина-противовес 2 выполнена прямоугольной формы и своей первой преимущественно длинной стороной изогнута в плоскости, ортогональной пластине-вибратору 1, а пластина-вибратор 1расположена между кромками 6 второй стороны пластины противовеса компланарно плоскости, включающей эти кромки 6. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Широкополосная антенна, содержащая несимметричный вибратор в виде пластины, противовес и средство для подключения вибратора и противовеса к линии передачи, отличающаяся тем, что в ней противовес выполнен в виде прямоугольной пластины и изогнутой в плоскости, ортогональной пластине вибратора, своей первой стороной, а пластина вибратора расположена между кромками второй стороны пластины противовеса, компланарно плоскости, включающей эти кромки. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что пластина противовеса изогнута по половине правильного многоугольника с четным числом углов. 3. Антенна по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в ней средство для подключения вибратора и противовеса к линии передачи выполнено в виде несимметричной полосковой линии, полосок которой соединен с кромкой пластины вибратора и изогнут вдоль пластины противовеса, являющейся подложкой этой полосковой линии. 4. Антенна по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что в ней пластина вибратора выполнена квадратной и размер указанной первой стороны пластины противовеса превышает размер стороны квадрата приблизительно в три раза. 5. Антенна по п.4, отличающаяся тем, что размер указанной второй стороны пластины противовеса превышает размер стороны пластины вибратора приблизительно в два раза.