СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АНТЕННА Российский патент 1999 года по МПК H01Q19/09 

Изобретение относится к области приемопередающих антенных устройств, работающих на частотах электромагнитных волн, эквивалентных метровому, дециметровому и сантиметровому диапазонам. Может быть использовано для стационарных, подвижных и переносных радиосистем различного назначения.

Целью настоящего изобретения является создание малогабаритной широкополосной перенастраиваемой антенны с высоким коэффициентом полезного действия.

Указанная цель достигается тем, что электрический вибратор заключается в цилиндрический объем сегнетокерамики, обладающей высоким значением относительной диэлектрической проницаемости ε₁, что позволяет в раз сократить электрическую длину излучателя по сравнению со свободным пространством. Как известно из теории [1,2], наряду с уменьшением длины излучателя, подобная оболочковая система играет роль эффективного резонатора, позволяющего значительно повысить величину сопротивления излучения антенны, определяемую по формуле:

где R_o - сопротивление данного вибратора в свободном пространстве;
k₁ - волновое число электромагнитной волны в сегнетокерамике;
а - радиус цилиндрического объема сегнетокерамики.

При этом величина R_r/R_o в зависимости от соотношения a/λ₁ (λ₁- длина электромагнитной волны в сегнетокерамике) имеет волновой характер с четко выраженными резонансными областями в местах

Таким образом, для рабочей частоты ω при использовании цилиндрического объема сегнетокерамики с величиной относительной диэлектрической проницаемости ε₁ на основании выражения (1) расcчитывается радиус цилиндрического объема сегнетокерамики a = f(R_r/R_o; λ₁), обеспечивающий соответствующую ширину полосы (ω ± Δω).
При проведении расчетов следует также учитывать факт наличия частотной дисперсии в сегнетоэлектрических средах, т.е. зависимость величины относительной диэлектрической проницаемости от частоты. Так, например, для сегнетокерамики БЦС (барий, цирконий, станум) она имеет характер, приведенный в таблице 1 [3].

Наряду с наличием частотной дисперсии сегнетоэлектрическая керамика имеет высокий коэффициент управляемости посредством внешнего постоянного электрического поля ε₁ = f(E=). Характер данной зависимости для частоты 30 МГц приведен в таблице 2.

Аналогичные зависимости влияния внешнего электрического постоянного поля на диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектрической керамики характерны и для других частотных диапазонов. Таким образом, появляется возможность перенастройки одного типоразмера антенн на другие диапазоны частот за счет наложения внешних полей.

Следует также отметить факт уменьшения тангенса диэлектрических потерь, определяемый упорядочением структурной ориентации внутренних доменных структур сегнетокерамики БЦС, находящейся в сегнетофазе, так как температура Кюри Т_k = 50^oC.

Доменный характер структуры сегнетокерамики обуславливает появление на поверхности цилиндрического объема сегнетокерамики результирующей поляризации под воздействием внешнего постоянного электрического поля. При наложении внешнего переменного электромагнитного поля это вызовет в цилиндрическом объеме сегнетокерамики и на его поверхности индуцированную поляризацию в зависимости от знака разности потенциалов и направления индуцированной поляризации, соответствующих положению вектора электрического поля. Изменение вектора внешнего возбуждающего электромагнитного поля вызывает перераспределение индуцированных электрических зарядов по поверхности цилиндрического объема сегнетокерамики, приводящее к появлению поверхностных токов, которые нарушают интенсивность и направление в темпе возбуждающего электромагнитного поля. Тангенциальная же составляющая высокочастотных токов индуцирует в окружающем пространстве (в случае излучения) или возбуждает в цилиндрическом объеме сегнетокерамики (в случае приема) вторичное электромагнитное поле. Его параметры зависят от уровня и характера распределения по поверхности цилиндрического объема сегнетокерамики спонтанной поляризации.

На чертеже изображен предлагаемый к рассмотрению вариант сегнетокерамической антенны. Антенна представляет собой цилиндрический объем сегнетокерамики 2, в который по специальной технологии "вморожен" электрический вибратор 3, с нанесенным на нижний торец противовесом 4, к которым подведен от приемопередающего устройства 6 радиокабель 5. Для перенастройки антенны на другие диапазоны частот источник постоянного напряжения подключен к сеткам управляющих электродов 1, расположенных на торцевых сторонах цилиндрического объема сегнетокерамики (7 - источник постоянного напряжения).

Соблюдая неизменным соотношение a/λ₁ за счет наложения внешнего поля, изменяющего величину относительной диэлектрической проницаемости ε₁= f(E=,ω), определяющей величину λ₁, при неизменных геометрических размерах мы получаем возможность перенастройки антенны в широком диапазоне частот.

Отметим, что предлагаемый в качестве прототипа вариант сегнетоэлектрической антенны в сферической оболочке, изложенный в работе (2], предполагает использование в качестве сегнетокерамики материал, находящийся в параэлектрической фазе, т.е. внутриструктурно не состоящий из доменов с индуцированной поляризацией. Антенна работает в узком диапазоне частот, не имеет возможности перенастройки на другие рабочие частоты.

Предлагаемая же для работы в широком диапазоне частот, от сотен кГц до десятков ГГц, например, специально разработанная керамика БЦС представляет собой материал, находящийся в сегнетоэлектрической фазе, т.е. состоит из областей, представляющих собой микроскопические электрические диполи. В обычном состоянии ориентированные хаотически (поз. 8, см. чертеж) при наложении внешнего поля они приобретают упорядоченность в построении (поз. 9, см. чертеж). Расположенные тангенциально на боковой поверхности они обеспечивают хорошее согласование с внешним пространством и в совокупности представляют из себя стройную многослойную излучающую (приемную) систему. При этом характер диполей аналогичен по своей сути антенным решеткам объемного излучения (приема).

Изобретение относится к области приемопередающих антенных устройств, работающих на частотах электромагнитных волн в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах и может быть использовано для стационарных, подвижных и переносных радиосистем различного назначения. Целью настоящего изобретения является создание малогабаритной широкополосной перенастраиваемой антенны с высоким коэффициентом полезного действия. Указанная цель достигается тем, что электрический вибратор заключается в цилиндрический объем сегнетокерамики радиусом a, обладающей высоким значением относительной диэлектрической проницаемости ε₁, что позволяет в раз сократить электрическую длину излучателя по сравнению со свободным пространством. Для перенастройки антенны на другие диапазоны частот к сеткам управляющих электродов, расположенных на торцевых сторонах цилиндрического объема сегнетокерамики, подключен источник постоянного напряжения. Соблюдая неизменным соотношение a/λ₁ за счет наложения внешнего поля, изменяющего величину относительной диэлектрической проницаемости ε₁= f(E=,ω), определяющей величину λ₁, при неизменных геометрических размерах получаем возможность перенастройки антенны в широком диапазоне частот. 2 табл., 1 ил.

Приемопередающая малогабаритная антенна, состоящая из сегнетокерамического материала, выполненного в виде цилиндрического объема с соосно размещенным внутри несимметричным вибратором, отличающаяся тем, что цилиндрический объем выполнен из сегнетокерамики, находящейся в сегнетофазе, а на торцевые поверхности цилиндрического объема сегнетокерамики нанесены управляющие сетчатые электроды, подключенные к источнику постоянных напряжений, при наложении которых происходит снижение тангенса диэлектрических потерь в сегнетокерамике и упорядочение дипольных электрических микроструктур на боковой поверхности цилиндрического объема сегнетокерамики, повышающих КПД антенны, а также обеспечивается режим точной настройки на рабочую частоту с заданной шириной полосы сигнала и перенастройка антенны на другие диапазоны частот при неизменных геометрических размерах антенны.