ПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА Российский патент 1998 года по МПК H01Q1/38 

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в аппаратуре связи и радиолокации в качестве одиночного широкополосного полоскового излучателя или как элемент низкопрофильной полосковой антенной решетки.

Известен полуволновый полосковый петлевой вибратор, расположенный на диэлектрической подложке с металлическим экраном, имеющий рабочую полосу частот до 20% при уровне согласования КСВН меньше 2 /"Широкополосная микрополосковая антенна". Экспресс-информация "Радиотехника СВЧ", N 37, 1978 г, реферат 252, стр. 1-5/. Расширенная полоса частот реализуется за счет удаления петлевого вибратора от металлического экрана на величину 0,1 λ_cp, где λ_cp - средняя рабочая длина волны в диэлектрике подложки. При выполнении антенны в низкопрофильном варианте, когда петлевой вибратор удален от металлического экрана на 0,01 - 0,02 λ_cp, рабочая полоса частот уменьшается до 5 - 6% при КСВН меньше 2.

Известна двухслойная микрополосковая антенна, содержащая два полуволновых резонансных полосковых излучателя, настроенных на разные резонансные частоты и расположенных друг над другом и над общим металлическим экраном /"Технология микрополосковых антенн". IEEE Transaction AP, 1981 г, v. AP-29, N 1, p. 16/. Антенна обеспечивает рабочую полосу частот до 10% при КСВН меньше 2 и толщине 0,04 - 0,05 λ_cp. Известен также вариант этой антенны, содержащий более двух полуволновых резонансных полосковых излучателей, настроенных на разные резонансные частоты и расположенных друг над другом в виде ступенчатой пирамиды и над общим металлическим экраном. В антенне не удается получить рабочую полосу частот более чем 20% при КСВН меньше 3. Толщина антенны составляет 0,1 - 0,15 λ_cp, и антенна теряет свойство низкопрофильности.

Известна микрополосковая антенна, содержащая проводящий полосковый диск, расположенный над металлическим экраном, запитанный в центре, в котором прорезано несколько концентрических резонансных щелей, настроенных на разные резонансные частоты /"Микрополосковая антенна". Авт. св. СССР N 1470138, кл. H 01 Q 13/10. Автор Р.Ф. Романов/. Антенна излучает на нескольких, не более 3-4, резонансных частотах, разнесенных по частотному диапазону. На каждой частоте ширина рабочей полосы частот по уровню КСВН меньше 3 не превышает нескольких процентов. Режим широкополосного излучения антенна не обеспечивает.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является полосковая антенна, содержащая несколько полосковых полуволновых излучателей, настроенных на разные резонансные частоты, расположенных над проводником (вдоль него) питающей несимметричной полосковой линии и ориентированных относительно него в разные стороны /"Последние достижения в области проектирования микрополосковых антенн". IEEE Transaction AP, 1981 г., V. AP-29, N 1, стр. 124-128/. Антенна является низкопрофильным полосковым аналогом логопериодической антенны и, согласно данным, приведенным в статье, обеспечивает рабочую полосу частот до 30% при КСВН меньше 2.

Возбуждение полосковых полуволновых излучателей в антенне-прототипе осуществлено за счет электромагнитной (негальванической) связи с бегущей волной тока в несимметричной полосковой линии. Поэтому недостатком антенны является значительный продольный, вдоль полоскового проводника, габарит не менее 2-3 средних длин волн, а центр излучения антенны с изменением частоты смещается вдоль антенны. Эти недостатки не позволяют использовать антенну-прототип в тех случаях, когда требуется более широкая полоса рабочих частот при размерах полоскового излучателя, не превышающих нескольких десятых средней длины волны.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является расширение рабочей полосы частот до величины с перекрытием 2:1 и уменьшение размеров полоскового излучателя до величины не более 0,5 • 0,5 λ_cp по п. 1 формулы и не более 0,3 • 0,4 λ_cp по п. 2 формулы.

Для этого в полосковой антенне, содержащей диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен металлический экран, а на другой расположены основной полосковой излучатель с резонансной частотой f_осн, одна кромка которого короткозамкнута на металлический экран, к которому подключен питающий фидер, а также N + M, где:
N = 0, 1, 2, 3,...;
M = 0, 1, 2, 3,...; N + M ≥ 1; дополнительных полосковых излучателей с резонансными частотами, отличающимися от f_осн, причем одна кромка каждого из них короткозамкнута на металлический экран, полосковые излучатели расположены в полуплоскости, граница которой проходит через их корокозамкнутые кромки, дополнительные полосковые излучатели расположены с двух противоположных, примыкающих к короткозамкнутой кромке, боковых сторон основного полоскового излучателя на расстоянии от него и друг от друга не более 0,05 λ_осн, где:
λ_осн - резонансная длина волны основного полоскового излучателя в диэлектрике подложки, соединены между собой и с основным полосковым излучателем дополнительно введенными перемычками, расположенными на расстоянии не более 0,15 λ_осн от короткозамкнутых кромок, и имеют резонансные частоты
f_осн + f_i - для расположенных с одной боковой стороны,
f_осн - f_i - для расположенных с противоположной боковой стороны основного полоскового излучателя, где:
i, j - номера дополнительных полосковых излучателей, считая от основного полоскового излучателя;
i = 1,2,3,...,N;
j = 1,2,3,...,M;
f₁; f₂ - f₁; f₃ - f₂; f₄ - f₃ ... ≤ (5 - 10%) f_осн, в каждом дополнительном полосковом излучателе расстояние между боковыми сторонами не превышает 0,05 лямбда_осн, дополнительные полосковые излучатели наклонены относительно основного полоскового излучателя на углы:
α_i - для расположенных с одной боковой стороны,
α_j - для расположенных с противоположной боковой стороны основного полоскового излучателя, где:

гальванически соединены друг с другом и с основным полосковым излучателем на участках боковых сторон, примыкающих к короткозамкнутым кромкам, причем размер этих участков не превышает 0,15 λ_осн, а короткозамыкатель выполнен общим для всех полосковых излучателей.

Чертежи предлагаемого изобретения представлены на фиг. 1, 2, 3. На фиг. 1 представлен вид со стороны излучающей части полосковой антенны по п. 1 формулы и поперечный разрез полосковой антенны. На фиг. 2 представлен вид со стороны излучающей части полосковой антенны по п. 2 формулы. На фиг. 3 представлена типовая частотная зависимость согласования (КСВН) полосковой антенны.

Полосковая антенна содержит диэлектрическую подложку 1 (фиг. 1), на одной стороне которой расположен металлический экран 2, а на другой стороне расположен основной полосковый излучатель 3, одна кромка которого короткозамкнута на металлический экран 2 короткозамыкателем 4. К излучателю 3 подключен питающий фидер 5, выполненный в рассматриваемом примере в виде несимметричной полосковой линии, возбуждающей излучатель 3 через вырез в короткозамыкателе 4. Излучатель 3 может иметь различную форму (прямоугольник, как это представлено в примере на фиг. 1, или трапеция, часть диска и т.п.), выполнен в виде тонкой металлической пластины, имеющей, помимо кромки, короткозамкнутой короткозамыкателем 4, излучающую кромку 6 и две боковые стороны 7, 8.

На этой же стороне диэлектрической подложки 1, рядом с боковой стороной 7 излучателя 3, расположены N дополнительных полосковых излучателей 9, причем одна кромка каждого из них короткозамкнута на металлический экран 2 короткозамыкателем 10, и M дополнительных полосковых излучателей 11, у каждого из которых одна из кромок короткозамкнута на металлический экран 2 короткозмыкателем 12. Излучатели 11 расположены с противоположной боковой стороны 8 излучателя 3.

Излучатели 3, 9, 11 расположены в полуплоскости ограниченной линией КК, проходящей через кромки, короткозамкнутые короткозамыкателями 4, 10, 12, и соединены между собой перемычками 13. Расстояние между боковыми сторонами излучателей 3, 9, 11 не превышает 0,05 λ_осн, а между перемычками 13 и короткозамыкателями 4, 10, 12 расстояние не более 0,15 λ_осн.
В полосковой антенне (фиг. 2) в каждом дополнительном полосковом излучателе 9, 11 расстояние между боковыми сторонами не превышает 0,05 λ_осн, дополнительные излучатели 9 наклонены относительно излучателя 3 на углы α_i, а дополнительные излучатели 11 - на углы . Излучатели 9, 11 гальванически соединены между собой и с излучателем 3 на участках 14 боковых сторон, примыкающих к короткозамыкателям 4, 10, 12. Длина участка 14 не превышает 0,15 λ_осн. При этом короткозамыкатели 4, 10, 12 выполнены в виде одного короткозамыкателя, общего для всех излучателей 3, 9, 11.

Полосковая антенна работает следующим образом. Питающий фидер 5 (фиг. 1) возбуждает излучатель 3 на резонансной частоте f_осн, величина которой определяется длиной периметра излучателя 3 (суммой длин короткозамкнутого края, излучающего края 6, боковых сторон 7, 8) и размером излучателя 3 в направлении, перпендикулярном к короткозамыкателю 4. При этом ширина рабочей полосы частот по уровню КСВН меньше 3 не превышает нескольких процентов. Короткозамыкатель 4 обеспечивает резонанс излучателя 3 на четверти длины волны λ_осн (основная мода).

Излучатели 9, расположенные с одной боковой стороны излучателя 3, имеют собственные резонансные частоты больше чем f_осн, причем по мере удаления от излучателя 3 собственные резонансные частоты излучателей 9 возрастают, т.е. равны
f_осн + f_i,
где
i = 1,2,3...N,
f₁ < f₂ < f₃ < ... < f_N.

Излучатели 11, расположенные с противоположной боковой стороны излучателя 3, имеют собственные резонансные частоты меньше чем f_осн, причем по мере удаления от излучателя 3 собственные резонансные частоты излучателей 11 уменьшаются, т.е. равны
f_осн - f_j,
где
j = 1,2,3...M,
f₁ < f₂ < f₃ < ... < f_M.

Короткозамыкатели 10, 12 обеспечивают собственный резонанс излучателей 9, 11 на четверти длины волны (основная мода). Излучатели 3, 9, 11 имеют совпадающие или близкие направления ориентации вектора E излучаемого электромагнитного поля.

Так как излучатели 3, 9, 11 расположены на расстояниях, не превышающих 0,05 λ_осн друг относительно друга, т.е. электрически очень близко, и соединены между собой перемычками 13, что обеспечивает связь излучателей 3, 9, 11, происходит возбуждение излучателей 9, 11 на частотах, близких к их собственным резонансным частотам. Перемещение перемычек 13 обеспечивает изменение величины связи между излучателями 3, 9, 11, причем по мере удаления перемычек 13 от короткозамыкателей 4, 10, 12 величина связи возрастает.

В совокупности излучатели 3, 9, 11 образуют многорезонансную систему, составные части которой имеют между собой сильную связь, что обеспечивает достаточно низкий уровень согласования (КСВН) в промежутках между соседними резонансами. При этом, для обеспечения широкополосного согласования, собственные резонансные частоты излучателей 3, 9, 11 должны отличаться друг от друга на величину не более (5 - 10%) f_осн. Если частоты будут отличаться на большую величину, настройка согласования имеет характер отдельных узкополосных резонансов.

Т. о. широкополосная настройка полосковой антенны обеспечивается выбором количества дополнительных полосковых излучателей 9, 11, их резонансных частот и подбором положения перемычек 13. Расстояние между соседними излучателями 3, 9, 11 влияет на настройку в меньшей степени. Полосковая антенна может быть настроена в полосе частот с перекрытием примерно 2:1 (полоса частот до 60%), при этом размеры излучающей части в плоскости подложки 1 не превышает 0,5 • 0,5 λ_осн при толщине подложки не более 0,01 - 0,02 λ_осн.

В полосковой антенне (фиг. 2) за счет гальванического соединения излучателей 3, 9, 11 друг с другом на участках 14 боковых сторон, в месте их примыкания к кромкам, короткозамкнутым на металлический экран 2 короткозамыкателями 4, 10, 12, наклона излучателей 9, 11 относительно излучателя 3 и ограничения расстояния между боковыми сторонами (ширины) каждого из излучателей 9, 11 до величины не более 0,05 λ_осн, удается уменьшить размеры излучающей части в месте расположения короткозамыкателей 4, 10, 12 до величины не более 0,3 λ_осн, и общие размеры излучающей части до величины не более 0,3 • 0,4 λ_осн. Это уменьшение существенно в случае, когда, например, из полосковых антенн формируется круговая антенная решетка. Величина связи между излучателями 3, 9, 11 регулируется за счет размера участков 14 и подбора положения перемычек 13. При этом возможен вариант настройки, когда перемычки 13 примыкают к участкам 14. Короткозамыкатели 4, 10, 12 выполняются в виде одного короткозамыкателя, общего для излучателей 3, 9, 11, что позволяет улучшить согласование. Диапазонные свойства такой полосковой антенны не отличаются от полосковой антенны фиг. 1.

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в аппаратуре связи и радиолокации в качестве одиночного широкополосного излучателя и как элемент низкопрофильной антенной решетки. Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение рабочей полосы частот при размерах полосковой антенны, не превышающих несколько десятых длины волны. Полосковая антенна содержит диэлектрическую подложку, металлический экран, основной полосковый излучатель, одна кромка которого короткозамкнута на металлический экран, к которому подключен питающий фидер, и несколько дополнительных полосковых излучателей, у которых одна кромка короткозамкнута на металлический экран, расположенных с двух противоположных боковых сторон основного полоскового излучателя на малых, не более нескольких сотых длины волны, расстояниях и соединенных между собой перемычками, обеспечивающими требуемую величину связи. Ширина дополнительных полосковых излучателей не превышает нескольких сотых длины волны, они выполнены наклонными относительно основного полоскового излучателя и гальванически соединены между собой и с основным полосковым излучателем на участках боковых сторон, примыкающих к короткозамкнутым кромкам, а короткозамыкатель выполнен общим для всех излучателей. Выбирая соответствующим образом количество и резонансные частоты дополнительных полосковых излучателей, положение перемычек и величину связанных участков боковых сторон, можно получить рабочую полосу частот до величины с перекрытием 2: 1, при этом размеры в плоскости подложки не превышают нескольких десятых средней длины волны, а толщина не превышает одной - двух сотых. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1.Полосковая антенна, содержащая диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен металлический экран, а на другой расположены основной полосковый излучатель с резонансной частотой f_осн., одна кромка которого короткозамкнута на металлический экран, к которому подключен питающий фидер, а также N + M, где N = 0, 1, 2, 3, ..., M = 0, 1, 2, 3, ..., N + M ≥ 1, дополнительных полосковых излучателей с резонансными частотами, отличающимися от f_осн., причем одна кромка каждого из них короткозамкнута на металлический экран, отличающаяся тем, что короткозамкнутые кромки полосковых излучателей расположены на одной линии, дополнительные полосковые излучатели расположены с двух противоположных боковых сторон основного полоскового излучателя на расстоянии от него и друг от друга не более 0,05•λ_осн, где λ_осн.- резонансная длина волны основного полоскового излучателя в диэлектрике подложки, соединены между собой и с основным полосковым излучателем дополнительно введенными перемычками, расположенными на расстоянии не более 0,15•λ_осн. от короткозамкнутых кромок, и имеют резонансные частоты:
f_осн. + f_i - для расположенных с одной боковой стороны,
f_осн. - f_j - для расположенных с противоположной боковой стороны основного полоскового излучателя, где i, j - номера дополнительных полосковых излучателей, считая от основного полоскового излучателя:
i = 1, 2, 3, ... N,
j = 1, 2, 3, ... M,
f₁; f₂ - f₁; f₃ - f₂; f₄ - f₃ ... ≤ (5 - 10%)f_осн.
2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в каждом дополнительном полосковом излучателе расстояние между боковыми сторонами не превышает 0,05•λ_осн, дополнительные полосковые излучатели наклонены относительно основного полоскового излучателя на углы:
α_i- для расположенных с одной боковой стороны,
для расположенных с противоположной боковой стороны основного полоскового излучателя, где

гальванически соединены друг с другом и с основным полосковым излучателем на участках боковых сторон, примыкающих к короткозамкнутым кромкам, причем размер этих участков не превышает 0,15•λ_осн. , а короткозамыкатель короткозамкнутых кромок выполнен общим для всех полосковых излучателей.