АКТИВНАЯ АНТЕННА Российский патент 1998 года по МПК H01Q23/00 

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к приемопередающим устройствам, основанным на всенаправленных активных антеннах с полупроводниковыми диодами, и может быть использовано в системах связи, оповещания, радионавигации, мониторинга окружающей среды, охранной сигнализации в миллиметровом диапазоне длин волн.

Известна всенаправленная микрополосковая антенна, в которой прямоугольная направляющая пластина нагружена на варакторный диод и возбуждается зондом от коаксиальной линии (Waterhouse R.B., Shuley N.V. //IEE Proc. Microwaves Antennas and Propag. - 1994, -141, N 5, -pp. 367 - 373). В этой антенне расширен рабочий диапазон частот до f = 6,2 - 7,1 ГГц благодаря использованию варакторного диода, что позволило частично преодолеть резонансный характер излучения, присущий прямоугольному микрополосковому излучателю. Однако для запитки антенны требуется внешний генератор, коаксиальная линия передачи. При переходе в миллиметровый диапазон для работы антенны на низшем типе колебаний резонатора необходимо, чтобы размеры микрополоска не превышали что затрудняет размещение полупроводникового диода. При этом КПД антенны падает из-за омических потерь в пластинах и диэлектрике, а также из-за утечки энергии по поверхностной волне в подложке.

Известна широкодиапазонная всенаправленная коническая антенна с коаксиальной запиткой (Sandler Sheldon S., King Ronald W. //IEEE Trans. Antennas and Propag. -1994, -42, N 3, -pp. 436 - 439), предназначенная для работы в диапазоне частот 20 - 1000 МГц. Однако, применение такой антенны в миллиметровом диапазоне волн затруднено, так как ее характерные размеры не должны превышать L ≤ λ₀/4, что затрудняет размещение и охлаждение полупроводникового диода.

Известна всенаправленная щелевая антенна (Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988, 432 с.), в которой кольцевая излучающая щель выполнена в виде открытого торца четвертьволнового проводящего стакана, закороченного на соосный с ним металлический цилиндр. Запитка антенны осуществляется коаксиальной линией, наружный проводник которой подсоединен к металлическому цилиндру, а центральный проводник - к открытому концу четвертьволнового стакана. Для эффективного возбуждения антенны на T-волне средний периметр резонатора должен составлять 2πR = λ, поэтому при переходе в миллиметровый диапазон эта конструкция антенны становится малопригодной.

Ближайшим по назначению и технической сущности аналогом-прототипом предлагаемой активной антенны является микроволновый полупроводниковый излучающий модуль (Патент США N 3562666, кл. H 03 B 7/14, 1971), в котором полупроводниковый диод из арсенида галлия размещен на оси пустотелого диэлектрического цилиндра, ограниченного с торцов двумя проводящими дисками. Частота генерации определяется параметрами полупроводникового диода, размерами и диэлектрической проницаемостью материала диэлектрического цилиндра. Это устройство обеспечивает равномерное излучение СВЧ-энегрии в азимутальной плоскости и имеет широкую диаграмму направленности в угломестной плоскости. Однако данное устройство не обеспечивает дальнейшего повышения мощности излучения, а прием и преобразование отраженных сигналов возможен только в автодинном режиме работы, что существенно снижает его радиус действия. Устройство также не обеспечивает сужение лепестка диаграммы направленности в угломестной плоскости.

В перечисленных выше устройствах задачи генерирования СВЧ-колебаний, формирования заданной диаграммы направленности излучения, приема и преобразования отраженных сигналов решаются независимо друг от друга, что приводит к использованию дополнительных элементов для согласования генератора с фидерным трактом и антенной и, следовательно, к увеличению массогабаритных характеристик и стоимости устройства. Кроме того, прием и преобразование отраженных сигналов возможен только в автодинном режиме работы, что снижает радиус действия устройства.

Задача, решаемая данным изобретением - это генерация СВЧ-колебаний повышенной мощности, обеспечение равномерного излучения СВЧ-энергии в азимутальной плоскости и заданной диаграммы излучения в угломестной плоскости, повышение чувствительности при приеме отраженных сигналов в едином устройстве - активной антенне.

Согласно данному изобретению решение поставленной задачи достигается тем, что в известный полупроводниковый излучающий модуль, состоящий из кольцевого диэлектрического резонатора, двух проводящих дисков, расположенных соосно с резонатором на его торцах, полупроводникового диода, размещенного внутри резонатора на его оси и соединенного своими полюсами с проводящими дисками, источника напряжения смещения дополнительно введены: второй кольцевой диэлектрический резонатор, размещенный на наружной стороне одного из проводящих дисков и соосно с ними; третий проводящий диск, касающийся свободного торца кольцевого диэлектрического резонатора; второй полупроводниковый диод, размещенный внутри второго резонатора на его оси и соединенный своими полюсами с проводящими дисками; элемент связи резонаторов, расположенный между наружными проводящими дисками.

Сущность изобретения может быть сформулирована следующим образом. В предложенной активной антенне генерация СВЧ-колебаний на заданной частоте обеспечивается полупроводниковыми диодами, включенными в резонансный контур, состоящий из двух кольцевых диэлектрических резонаторов, связанных посредством специального элемента связи. Данный резонансный контур представляет собой открытую резонансную систему, так как наружные боковые поверхности кольцевых диэлектрических резонаторов остаются открытыми. Благодаря этому данная открытая резонансная система обладает разреженным спектром возбуждения колебаний, высокой добротностью, а также обеспечивает естественное излучение части генерируемой диодами мощности в окружающее пространство без традиционных потерь в волноведущих трактах и устройствах согласования генератора и антенны.

Для повышения излучаемой мощности оба диода в активной антенне могут быть выбраны генераторными, работающими в режиме взаимной синхронизации. Наличие двух кольцевых диэлектрических резонаторов позволяет повысить добротность открытой резонансной системы, а при необходимости - расширить полосу электронной перестройки частоты за счет сдвига их собственных резонаторных частот. Расположение проводящих дисков на торцах кольцевых диэлектрических резонаторов позволяет:
1) разредить спектр возбуждаемых колебаний (возбуждаются только типы колебаний, имеющие нулевую составляющую электрического поля на поверхностях проводящих дисков);
2) предотвратить утечку СВЧ-энергии вдоль оси кольцевых диэлектрических резонаторов;
3) осуществить удобный подвод напряжения смещения к диодам и выполнить функцию радиаторов, предотвращающих перегрев диодов.

Следует отметить, что в заявляемой активной антенне имеется возможность дальнейшего повышения излучаемой СВЧ-мощности при расположении соосно с данным устройством дополнительных (третьего, четвертого и т.д.) кольцевых диэлектрических резонаторов с полупроводниковыми диодами.

Формирование всенаправленной и равномерной диаграммы излучения в азимутальной плоскости обеспечивается круговой симметрией активной антенны относительно вертикальной оси. Диаграмма направленности в угломестной плоскости, в зависимости от поставленной задачи, определяется выбором высоты кольцевых диэлектрических резонаторов, профилем их наружной боковой поверхности, способом возбуждения резонаторов (синфазный или противофазный), а также размером и формой наружных проводящих дисков.

Так, высота кольцевых резонаторов при возбуждении только на низшем типе колебаний не должна превышать где ε - диэлектрическая проницаемость материала резонаторов. Сужение лепестков диаграммы направленности в угломестной плоскости можно осуществить при выполнении наружных проводящих дисков в виде усеченной биконической поверхности и установив в раскрыве антенны дополнительную кольцевую феррокорректирующую линзу.

При необходимости расширения диаграммы направленности в угломестной плоскости и сокращения "мертвой" зоны вблизи вертикальной оси имеется возможность выполнить наружные боковые поверхности кольцевых диэлектрических резонаторов в виде гиперболического цилиндра и тем самым образовать кольцевую рассеивающую линзу в раскрыве антенны. Выбор угла между плоскостью наружного проводящего диска и нормалью к образующей гиперболического цилиндра в точке их касания равным обеспечивает максимальное рассеивание цилиндрической волны в докритическом режиме (без полного внутреннего отражения на границе раздела сред).

Особую роль в формировании диаграммы направленности активной антенны в угломестной плоскости играет выбор элемента связи кольцевых диэлектрических резонаторов. Так, при выполнении элемента связи в виде отверстий, расположенных равномерно и симметрично относительно оси антенны на проводящем диске, разделяющем кольцевые резонаторы, имеется возможность осуществить противофазное возбуждение резонаторов и получить двухлепестковую диаграмму направленности в угломестной плоскости. Вид и число отверстий связи зависит от конкретных требований, предъявляемых к равномерности диаграммы направленности в азимутальной плоскости.

При выполнении элемента связи в виде проводящих штырей, размещенных равномерно и симметрично относительно оси устройства в пространстве между наружными проводящими дисками, имеется возможность реализовать синфазное возбуждение резонаторов и, соответственно, обеспечить однолепестковую диаграмму направленности в угломестной плоскости. Вид и число проводящих штырей также определяется конкретными требованиями, предъявленными к равномерности диаграммы направленности в азимутальной плоскости.

Выбор элемента связи, выполненного в виде встречных симметричных скосов наружных поверхностей кольцевых диэлектрических резонаторов, образующих при вершине угол, выбранный из: позволяет обеспечить связь резонаторов в докритическом режиме (без полного внутреннего отражения на границе раздела сред) и рассеивание цилиндрической волны в угломестной плоскости.

Повышение чувствительности активной антенны при приеме можно осуществить при замене одного из диодов на смесительный диод и переходе от автодинного режима работы к более эффективному гомодинному приему отраженных объектом сигналов.

Для обеспечения поперечного резонанса на цилиндрической волне внутренний и наружный радиусы диэлектрического резонатора выбираются соответственно, равными При укорочении рабочей длины волны может возникнуть необходимость перехода на высшие поперечные типы колебаний кольцевого диэлектрического резонатора. В этом случае для дополнительного разрежения спектра возбуждаемых колебаний внутренняя поверхность проводящих дисков может быть выполнена в виде кольцевой периодической структуры, образованной осесимметричными канавками прямоугольного сечения.

Для расширения диапазона перестройки активной антенны кольцевые резонаторы могут быть выполнены из феррита. В этом случае можно осуществить перестройку частоты резонаторов, изменяя магнитную проницаемость феррита при помощи внешнего магнитного поля.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено:
на фиг. 1 - активная антенна по п.1 и п.2 формулы изобретения;
на фиг. 2 - активная антенна по п.4 формулы изобретения;
на фиг. 3 - активная антенна по п.5 формулы изобретения;
на фиг. 4 - активная антенна по п.6 формулы изобретения;
на фиг. 5 - активная антенна по п.7 формулы изобретения.

Активная антенна по п. 1 формулы изобретения содержит кольцевой диэлектрический резонатор 1, проводящие диски 2 и 3, полупроводниковый диод 4, второй кольцевой диэлектрический резонатор 5, проводящий диск 6, второй полупроводниковый диод 7, элемент связи 8, источник напряжения смещения 9.

Активная антенна по п.2 формулы изобретения содержит элемент связи 8 в виде отверстий, выполненных в диске 3.

Активная антенна по п. 3 формулы изобретения содержит элемент связи в виде проводящих штырей, размещенных между проводящими дисками 2 и 6.

Активная антенна по п. 4 формулы изобретения содержит элемент связи в виде встречных симметричных скосов 10 наружных поверхностей резонаторов 1 и 5.

Активная антенна по п.5 формулы изобретения содержит наружные проводящие диски 11 и 12, выполненные в виде усеченной биконической поверхности, и кольцевую диэлектрическую линзу 13.

Активная антенна по п.6 формулы изобретения содержит кольцевые резонаторы 1 и 5, у которых наружные поверхности выполнены в виде гиперболического цилиндра 14.

Активная антенна по п.7 формулы изобретения содержит проводящие диски 2 и 6, у которых внутренние поверхности 15, 16 выполнены в виде кольцевой периодической структуры.

Активная антенна по п.8 формулы изобретения содержит кольцевые резонаторы из феррита.

Активная антенна по п.9 формулы изобретения содержит полупроводниковый смесительный диод 7.

Предложенная активная антенна (п.1 формулы изобретения) работает следующим образом. При подаче на диоды 4, 7 (например, диоды Ганна) напряжения смещения от источника 9 происходит самовозбуждение диодов на частотах, определяемых параметрами диодов и цепей питания. Излученная СВЧ-энергия запитывает кольцевые диэлектрические резонаторы 1, 5, которые связаны между собой посредствам элемента связи 8. Часть СВЧ-энергии отражается от внутренней и наружной стенок резонаторов 1, 5 и возвращается обратно к диодам 4, 7, чем обеспечивается дальнейшее возрастание амплитуды колебаний до выхода в стационарный режим. При этом частота генерируемых колебаний затягивается к ближайшему высокодобротному колебанию открытой резонансной системы. Часть СВЧ-энергии, прошедшей через кольцевые диэлектрические резонаторы, излучается в окружающее пространство.

Работа активной антенны по пп.2 - 4 формулы изобретения происходит аналогичным образом.

При работе активной антенны, выполненной согласно п.5 формулы изобретения, СВЧ-энергия, прошедшая сквозь диэлектрические резонаторы 1, 5 и кольцевую диэлектрическую линзу 13, излучается в узком лепестке вблизи горизонта (см. фиг. 3).

В активной антенне, выполненной согласно п.6 формулы изобретения, электромагнитная волна, прошедшая сквозь диэлектрические резонаторы 1, 5, рассеивается в угломестной плоскости, преломляясь на их гиперболической наружной поверхности 14 (см. фиг. 4).

Особенности работы антенны по п.7 формулы изобретения заключаются в следующем. Возбужденная полупроводниковым диодом 4 (см. фиг. 5) цилиндрическая электромагнитная волна распространяясь от оси устройства в диэлектрическом слое резонатора 1 дифрагирует на кольцевой периодической структуре 15. При определенном выборе параметров кольцевой периодической структуры и диэлектрического резонатора для заданной частоты колебаний практически вся энергия цилиндрической волны концентрируется в 1-м порядке дифракции и возвращается к полупроводниковому диоду (Шестопалов В.П. Физические основы мм и субмм техники. т. 1, Киев, Наукова думка, 1985, 216 с.). Это способствует как повышению добротности колебательной системы, так и разрежению спектра возбуждаемых колебаний.

В активной антенне, выполненной по п.8 формулы изобретения, кольцевые резонаторы 1, 5 выполнены из феррита. Поэтому, при возрастании величины внешнего магнитного поля, направленного вдоль оси устройства, происходит снижение эффективной магнитной проницаемости феррита как поперечно намагниченной среды для цилиндрической волны, расходящейся от полупроводниковых диодов, что в свою очередь приводит к перестройке рабочей частоты активной антенны.

При работе активной антенны в режиме приема-передачи возможен как автодинный прием отраженных сигналов, так и более эффективный - гомодинный прием сигналов при замене одного из диодов на смесительный диод. При гомодинном приеме на смесительный диод 7 поступает часть излученного сигнала через элемент связи 8 от генераторного диода 4, а также отраженный объектом сигнал, прошедший сквозь диэлектрический резонатор 5 (см. например, фиг. 1).

Для проверки работоспособности заявляемой активной антенны и отработки ее конструктивных элементов были изготовлены и проведены экспериментальные исследования параметров макетов согласно п. 1, 2, 5 и 9 формулы изобретения. Макеты разработаны для 8-мм диапазона длин волн. В качестве источника колебаний использовались диоды Ганна типа 3А728Г, а для преобразования сигналов использовались смесительные диоды типа 3А121А. Для всех испытанных макетов активной антенны были получены устойчивая генерация и излучение СВЧ-энергии в окружающее пространство, осуществлен прием и преобразование отраженных сигналов, т.е. подтверждена работоспособность заявляемой активной антенны. Ниже приведены характерные размеры и полученные экспериментальные результаты для двух макетов активной антенны.

Параметры макета активной антенны, выполненные согласно п.1 формулы изобретения, были следующие (см. фиг. 1): наружный диаметр диэлектрического резонатора - 2R = 30,5 мм; внутренний диаметр диэлектрического резонатора - 2r = 4,5 мм; высота резонатора - h = 3,1 мм; материал - фторопласт - 4 (ε = 2,08). При изменении напряжения питания от U = 2,6 B до U = 3,9 B наблюдалась монотонная электронная перестройка частоты излучения в полосе Δf = 175 МГц (см. фиг. 6, кривая 1). Суммарная излучаемая мощность составляла около P = 30 мВт на частоте f = 39,1 ГГц при напряжении питания U = 3,4 В (см. фиг. 6, кривая 2). Активная антенна имела широкую диаграмму направленности в азимутальной плоскости без существенных провалов (см. фиг. 7).

Параметры макета активной антенны, выполненной согласно п.5 формулы изобретения, составляли: наружный диаметр биконического раскрыва - D78 мм, внутренний диаметр биконического раскрыва равнялся наружному диаметру диэлектрического резонатора и составлял 2R = 30,5 мм (см. фиг. 3), высота раскрыва антенны составляла - 23,5 мм. Внутренний диаметр диэлектрического резонатора составлял 2r = 12,5 мм, материал резонатора - фторопласт - 4. На частоте f = 40,1 ГГц суммарная излучаемая мощность активной антенны составила около P = 25 МВт, а ширина диаграммы направленности в угломестной плоскости по уровню половинной мощности не превышала Δϕ = 15^o (см. фиг. 8).

Таким образом, предложенная активная антенна позволяет успешно решить задачу генерации и излучения в окружающее пространство СВЧ-энергии, формирования требуемой диаграммы направленности в угломестной плоскости и равномерной диаграммы излучения в азимутальной плоскости, приема и преобразования отраженных сигналов.

Источники информации
1. Waterhouse R. B. , Shuley N.V. //IEE Proc. Microwaves, Antennas and Propag. - 1994, -141, N 5, -pp. 367 - 373.

2. Sandler Sheldon S., King Ronald W. //IEEE Trans. Antennas and Propag. - 1994, -42, N 3, -pp. 436 - 439.

3. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988, - 432 с.

4. Патент США, N 3562666, кл. H 03 B 7/14, 1971 (прототип).

5. Шестопалов В. П. Физические основы мм и субмм техники, т. 1, Киев: Наукова думка, 1985, 216 с.

Изобретение относится к технике СВЧ. Техническим результатом является обеспечение генерирования колебаний СВЧ, формирования всенаправленной диаграммы излучения, приема и преобразования отраженных сигналов в едином устройстве - активной антенне. Активная антенна состоит из двух соосных кольцевых диэлектрических резонаторов, разделенных и ограниченных с торцов проводящими дисками, и элемента связи резонатора, внутри каждого из резонаторов на его оси размещен полупроводниковый диод, соединенный с проводящими дисками и источником напряжения смещения. Элемент связи выполнен в виде отверстий в диске, разделяющем резонаторы, либо в виде проводящих штырей, либо в виде встречных наружных скосов поверхностей резонаторов. Наружная поверхность резонаторов может быть выполнена в виде гиперболического цилиндра. Наружные диски могут быть выполнены в виде усеченной биконической поверхности с кольцевой периодической структурой, касающейся торцов резонаторов. Резонаторы могут быть выполнены из феррита. Второй диод может быть смесительным диодом. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Активная антенна, состоящая из кольцевого диэлектрического резонатора, двух проводящих дисков, расположенных соосно с резонатором на его торцах, полупроводникового диода, размещенного внутри резонатора на его оси и соединенного своими полюсами с проводящими дисками, и источника напряжения смещения, отличающаяся тем, что на наружной стороне одного из проводящих дисков и соосно с ним расположен второй кольцевой диэлектрический резонатор, свободный торец которого ограничен третьим проводящим диском, введен второй полупроводниковый диод, размещенный внутри второго резонатора на его оси и соединенный своими полюсами с проводящими дисками, в пространстве между наружными проводящими дисками размещен элемент связи. 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что элемент связи выполнен в виде отверстий, расположенных равномерно и симметрично относительно оси антенны на проводящем диске, разделяющем кольцевые диэлектрические резонаторы. 3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что элемент связи выполнен в виде проводящих штырей, размещенных равномерно и параллельно оси антенны в пространстве между наружными проводящими дисками. 4. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что элемент связи выполнен в виде встречных симметричных скосов наружных цилиндрических поверхностей кольцевых диэлектрических резонаторов, образующих при вершине угол α, выбранный из:

где ε - диэлектрическая проницаемость материала резонаторов. 5. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что наружные проводящие диски продлены за границы диэлектрических резонаторов в виде усеченной биконической поверхности, а в раскрыве антенны установлена кольцевая фазокорректирующая диэлектрическая линза. 6. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что наружные цилиндрические поверхности кольцевых диэлектрических резонаторов выполнены в виде поверхности гиперболического цилиндра, касающегося наружных проводящих дисков, а угол между плоскостью наружного проводящего диска и нормалью к образующей гиперболического цилиндра в точке их касания составляет

где ε - - диэлектрическая проницаемость материала резонаторов. 7. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что внутренние поверхности наружных проводящих дисков выполнены в виде кольцевой периодической структуры, образованной соосными канавками прямоугольного профиля. 8. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевые резонаторы выполнены из феррита. 9. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что второй полупроводниковый диод является смесительным диодом.