АНТЕННА Российский патент 1999 года по МПК H01Q13/00 

Изобретение относится к технике антенн СВЧ- и КВЧ-диапазонов и может быть использовано в качестве слабонаправленного излучателя круговой поляризации.

Известна антенна [1], где использование апертурной связи является одним из наиболее привлекательных методов запитывания излучателей микрополосковых антенн. Рассмотренная антенна включает в себя полосковый элемент, подложку полоскового элемента, фидерную линию, подложку фидера.

Недостатками данной антенны является то, что данная антенна не излучает поле круговой поляризации и работает только на одной частоте.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является антенна, излучающая поле круговой поляризации [2]. Принцип работы антенны-прототипа заключается в следующем: составляющая магнитного поля волны фидерной линии (прямоугольного волновода) возбуждает колебания вектора намагниченности ферритового сферического резонатора; эти колебания лежат в плоскости, перпендикулярной вектору подмагничивающего поля, имеют круговую поляризацию и возбуждают открытый резонатор, выполненный в виде концентрически расположенных полого проводящего цилиндра и размещенного в нем цилиндра из магнитодиэлектрика (поликристаллического феррита); возбужденный открытый резонатор излучает поле круговой поляризации.

Известная антенна [2] наиболее близка к предлагаемому изобретению по цели использования (излучение поля круговой поляризации), по строению открытого резонатора (намагниченный ферритовый цилиндр), и поэтому она выбрана в качестве прототипа.

Недостатками известной антенны [2] являются:
большие габариты из-за громоздкой магнитной системы (электромагнита);
невозможность использования в многомодовом режиме;
невозможность использования в КВЧ-диапазоне в результате значительного увеличения электромагнита для создания ферромагнитного резонанса.

Сущностью данного изобретения является возможность использования антенны в многомодовом режиме, кроме этого, предложенное изобретение позволяет уменьшить габариты антенны.

Указанная сущность достигается тем, что антенна, содержащая открытый намагниченный ферритовый цилиндрический резонатор с металлизированным верхним основанием, расположенный на проводящем экране с апертурной щелью и возбуждаемый фидерной линией через апертурную щель, возбуждается на двух частотах, совпадающих с собственными частотами f₁ и f_-1 колебаний намагниченного ферритового цилиндрического резонатора единичной азимутальной вариации, где f_-1 - частота колебаний намагниченного ферритового цилиндрического резонатора единичной азимутальной вариации с противоположным по отношению к частоте f₁ вращением.

На фиг. 1 представлена структурная схема антенны (случай возбуждения с помощью одной фидерной линии); на фиг. 2 - характеристики ТМ - колебаний намагниченного ферритового цилиндрического и диэлектрического резонаторов; на фиг. 3 - намагниченный ферритовый цилиндрический резонатор; на фиг. 4 - антенна с круговой поляризацией (случай возбуждения с помощью двух фидерных линий).

Антенна (случай возбуждения с помощью одной фидерной линии) содержит (фиг. 1) токопроводящий полосок 1, ферритовый цилиндр 2, апертурную щель (через которую происходит возбуждение цилиндрического ферритового резонатора) 3, металлический круг 4, магниты 5, магнитопровод 6.

Антенна с круговой поляризацией (случай возбуждения с помощью двух фидерных линий) содержит (фиг.4) токопроводящие полоски 1 и 2, ферритовый резонатор 3, апертурные щели 4 и 5, магниты 6 и 7, магнитопроводы 8 и 9.

Уменьшение габаритов антенны достигается за счет значительного уменьшения подмагничивающей системы. Так, в прототипе [2] частота излучения определяется частотой f_ф ферромагнитного резонанса возбуждающего элемента (монокристаллического сферического феррита) [3]
f_ф= γ•H₀,
где γ = 2,8•10⁶ (Э•С)^-1;
H₀ - напряженность намагничивающего поля [кА/м],
нетрудно показать, чтобы обеспечить работу антенны-прототипа, например, на частоте 2,8 ГГц, необходимо подмагничивающее поле H₀ = 10⁴ Э. Такие поля можно создать, используя очень громоздкие магнитные системы, например электромагнит. Для обеспечения работы предложенный нами антенны на частотах 20-60 ГГц достаточно обеспечить подмагничивающие поля порядка H₀ ≈ 500-1000 Э (фиг. 2).

Для того чтобы показать возможность достижения других поставленных нами целей с помощью заявленного технического устройства, рассмотрим принцип работы антенны. Сущность изобретения поясняется фигурами 1 и 2. На фиг. 2 представлены дисперсионные зависимости радиуса для ТМ - колебаний намагниченного ферритового и ненамагниченного (диэлектрического) цилиндрических резонаторов. Здесь штриховыми линиями изображены характеристики для диэлектрического резонатора с ε = 11.1, μ = 1, а сплошными линиями - характеристики для подмагниченного ферритового цилиндрического резонатора марки 1C44 с такой же диэлектрической проницаемостью и подмагничивающим полем H₀ = 500 Э. Собственные колебания структуры (как подмагниченной, так и ненамагниченной) квалифицированы (фиг. 2) тремя целыми числами (i, n, m), где i (i=1, 2, 3 .. . ) - характеризуют вариацию поля в резонаторе вдоль координаты r; n (n=0, ±1, ±2 ...) - определяет число вариаций по j; m - число вариаций поля вдоль оси z. Графики на фиг. 2 соответствуют колебаниям без учета вариаций поля по z. В этом случае собственно частоты ТМ - колебаний намагниченного ферритового цилиндрического резонатора определяются из уравнения [4]

где
J_n(x) - функции Бесселя первого рода n - порядка;
k - волновое число в вакууме;
μ,μ_a - собственно диагональная и недиагональная компоненты тензора магнитной проницаемости.

Как видно из соотношения (1), собственным колебаниям намагниченного цилиндрического резонатора (фиг. 3) с n= 1 и n=-1 соответствуют разные уравнения, и поэтому их собственные частоты f₁ и f_-1 различаются. Если феррит не намагничен, то μ_a= 0 и из (1) следует, что расщепления собственных частот не происходит. Таким образом, на частоте f₁ собственное колебание резонатора вращается по часовой стрелке (условно), а на частоте f_-1 - против часовой стрелки. Значения собственных частот f₁ и f_-1 (а значит частот, на которых происходит излучение антенны) можно варьировать с помощью радиуса R, диэлектрической проницаемостью феррита ε, а также с помощью внешнего подмагничивающего поля H₀, которое определяет значения μ и μ_a,
Антенна работает следующим образом. Как было показано выше, в подмагниченном ферритовом цилиндрическом резонаторе (фиг. 3) могут возникать ТМ-колебания (1, +1, 0) и (1, -1, 0) на частотах f₁ и f_-1, причем разность в СВЧ- и КВЧ-диапазонах может достигать 10 ГГц (фиг. 2). Эти колебания соответствуют полям с вращающимися в противоположные стороны круговыми поляризациями.

Если возбуждать намагниченный резонатор одновременно на двух частотах f₁ и f_-1 с помощью фидерной линии с ферритовым цилиндром, в последнем возникают два собственных колебания с противоположными азимутальными вращениями. Такой открытый резонатор будет излучать одновременно на частотах f₁ и f_-1 электромагнитные поля с противоположными круговыми поляризациями. Согласование фидерной линии с размером на частотах f₁ и f_-1 происходит с помощью соответствующего выбора апертурной щели.

Случай возбужденной антенны с помощью двух фидерных линий показан на фиг. 4. В этом случае размеры каждой из апертурных щелей согласован только на одной частоте (f₁ или f_-1).

Антенна, конструкция которой показана на фиг. 4, при возбуждении частотой f₁ с помощью фидерной линии 1, будет излучать поле с круговой поляризацией на 2-ой частоте и одновременно может быть использована в качестве приемной на частоте f_-1: поле можно измерять с помощью фидерной линии 2.

Экспериментальные исследования предложенной нами антенны показывают, что по сравнению с известными техническими решениями существенными отличиями предлагаемого устройства "Антенна" являются: отсутствие гиромагнитного резонатора, как возбуждающего элемента; одновременное излучение антенны на двух различных частотах полей с противоположными круговыми поляризациями; излучение антенны на частотах, совпадающих с собственными частотами ТМ - колебаний намагниченного ферритового цилиндрического резонатора.

Источники информации
1. Baumea С. "El. Letters", 1992, 28, N 15, pp. 1454-1455.

2. Антенна. Полухин Ю.Н., Солдатов А.А. А.С. N 1589340, кл. H 01 Q 1/38, 1983.

3. Микаэлян А.Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. - М. - Л.: Гос. энергетическое издательство, 1963.

4. Неганов В.А., Нефедов Е.И., Яровой Г.П. Полосково-щелевые структуры сверх- и крайневысоких частот. - М.: Наука, Физматлит, 1996. - 304 с.

Изобретение относится к технике антенн СВЧ- и КВЧ-диапазонов и может быть использовано в качестве слабонаправленного излучателя круговой поляризации. Техническим результатом является уменьшение габаритов антенны за счет значительного уменьшения подмагничивающей системы. Сущностью изобретения является возможность использования антенны в двумодовом режиме, кроме этого, изобретение позволяет уменьшить габариты антенны. Поставленные задачи решаются следующим образом. Антенна, содержащая открытый намагниченный резонатор с металлизированным верхним основанием, расположенный на проводящем экране с апертурной щелью и запитываемый фидерной линией через апертурную щель, возбуждается на двух частотах, совпадающих с собственными частотами f₁ и f_-1 колебаний ферритового цилиндрического резонатора единичной азимутальной вариации, где f_-1 - частота колебаний намагниченного ферритового цилиндрического резонатора единичной азимутальной вариации с противоположным по отношению к частоте f₁ вращением. 4 ил.

Антенна, содержащая открытый намагниченный ферритовый цилиндрический резонатор с металлизированным верхним основанием, расположенный на проводящем экране с апертурной щелью и запитываемый фидерной линией через апертурную щель, отличающаяся тем, что антенна возбуждается на двух частотах, совпадающих с собственными частотами f₁ и f_-1 колебаний намагниченного ферритового цилиндрического резонатора единичной азимутальной вариации, где f₁ - частота колебаний намагниченного ферритового цилиндрического резонатора единичной азимутальной вариации с противоположным по отношению к частоте f₁ вращением.