НЕСИММЕТРИЧНАЯ АНТЕННА Российский патент 2003 года по МПК H01Q9/04 

Изобретение относится к антеннам и может быть использовано для связи и радиовещания.

В настоящее время используется несимметричный вибратор в виде проводящего штыря над землей или металлическим экраном или в виде антенны "граундплейн" с возбуждением непосредственно коаксиальным кабелем [1].

Однако входное сопротивление обычного несимметричного вибратора довольно низкое - 30-40 Ом. При питании с помощью стандартного коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом и особенно 75 Ом качество согласования оказывается недостаточным [1].

С другой стороны, необходимо специальное устройство для заземления антенны, что иногда трудно выполнимо [2].

Предлагается для возбуждения несимметричных вибраторов использовать отрезки разомкнутых полосковых линий длиной приблизительно λ/2 или короткозамкнутых с одного конца линий λ/4 [3]. Точка возбуждения может располагаться в случае разомкнутого отрезка длиной λ/2 вблизи одного из концов полосковой линии. У короткозамкнутой полосковой линии точка присоединения электрического вибратора может располагаться между короткозамкнутым и разомкнутым концом линии, а в случае диска или кольца - в любом месте, в том числе в центре диска. Во всех случаях питание подводится с помощью коаксиального фидера.

Наиболее удобны и просты печатные полосковые линии, имеющие прямоугольную прямолинейную форму небольшой ширины [3]. Однако в качестве печатных линий и излучателей можно использовать линии другой формы, в том числе изогнутые в виде Г-образной, Т-образной, зонтичной конструкции, а также полосковые проводники кольцевой и дисковой формы, короткозамкнутые в какой-либо точке.

Следовательно, в качестве прототипа выбирается несимметричный вибратор, запитываемый коаксиальным кабелем. Для улучшения его свойств - согласования, широкополосности и грозозащиты - предлагается для возбуждения несимметричного вибратора использовать полосковые линии резонансной длины, но небольшой ширины, которые сами без вибратора могут служить самостоятельными излучателями.

Полосковая линия (печатная антенна) представляет диэлектрическую пластину, которая металлизирована с обеих сторон - лицевой и обратной. Короткое замыкание одного металлизированного слоя с металлизированным слоем на другой стороне подложки можно выполнить с помощью штырей, перемыкающих два слоя, или с помощью металлической ленты или листа, соединяющих по торцу два проводящих слоя на поверхности подложки.

Не было обнаружено решений со сходными признаками, поэтому предлагаемая антенна соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена антенна с разомкнутой полосковой линией при расположении электрического вибратора параллельно подложке. На фиг.2 изображена антенна с короткозамкнутой полосковой линией при расположении электрического вибратора перпендикулярно подложке и экрану, причем заземленный проводник соприкасается с экраном. На фиг.3 изображена антенна без экрана и имеет вид, сходный с антенной "граундплэйн" [1]. На фиг.4 изображена антенна с разомкнутой полосковой линией, у которой заземленный проводник заменяется печатным проводником удвоенной длины, одна половина находится под центральным проводником полосковой линии, а другая половина расположена по другую сторону от точки питания антенны.

На фиг.5 изображен общий вид антенны, а на фиг.6 изображена эта же антенна в проекциях. Антенна возбуждается полосковой линией в виде буквы "Г", причем электрический вибратор может присоединяться к центральному проводнику, показанными штрихами, как вблизи точки возбуждения, так и вблизи разомкнутого конца.

На фиг.7 печатная антенна в виде буквы "Т" тоже возбуждается Г-образной полосковой линией. На фиг.3 используется полная зонтичная антенна. На фиг.9 изображена неполная зонтичная антенна (электрический вибратор не показан). На фигурах 5-9 экран не показан. На фиг.10 изображена в аксонометрии несимметричная антенна, в которой электрический вибратор возбуждается печатной дисковой антенной; на фиг.11 эта антенна представлена в проекциях.

На фиг. 1 полосковая разомкнутая линия имеет примерно одинаковой небольшой ширины (меньше 0,05λ) один проводник - заземленный проводник 1 и другой проводник - центральный проводник 2, которые расположены на подложке 3. К центральному проводнику 2 присоединяется электрический вибратор 4. Антенна в нижней части заземленным проводником 1 соединяется с экраном 6. Она может располагаться также на некоторой высоте над экраном. К проводникам полосковой линии присоединяется кабель или радиочастотный соединитель 5. Корпус соединителя присоединяется к заземленному проводнику, его внутренний проводник - к центральному проводнику полосковой линии.

На фиг. 2 изображена несимметричная антенна, в которой центральный проводник 2 полосковой линии короткозамкнут с заземленным проводником 1 с помощью металлических штырей 7. Питание к антенне подводится с помощью соединителя 5. Электрический вибратор 4, присоединенный у разомкнутого конца полосковой линии, расположен перпендикулярно самой полосковой линии и экрану. Антенна может непосредственно соединяться своим заземленным проводником с металлическим экраном или располагаться на некоторой высоте над экраном, как это показано на фиг.4.

На фиг.3 изображена антенна типа "граундплэйн", где к заземленному проводнику 1 полосковой линии присоединены три четвертьволновых проводника 8 и 9 (третий не показан), причем экран является лишним. Эти четвертьволновые отрезки могут быть не только параллельны подложке, но и наклонены под углом. Электрический вибратор 4 возбуждается с помощью соединителя 5.

На фиг.4 изображен общий вид несимметричной антенны с разомкнутой полосковой линией, у которой используется заземленный проводник удвоенной длины. Дополнительный отрезок 10 служит другой половиной заземленного проводника 1 полосковой линии, расположенной на подложке 3. К центральному проводнику 2 присоединяется электрический вибратор 4. Антенна возбуждается соединителем 5 и располагается на некоторой высоте над экраном 6.

Антенна имеет две взаимно перпендикулярные поляризации излучения, источником которого является электрический вибратор 4 и заземленный проводник 1 полосковой линии.

На фиг.5 Г-образная полосковая линия с центральным проводником 2, имеющая заземленный проводник 1 удвоенной длины, размещается на нижней половине диэлектрической пластины 3. Радиочастотный соединитель 5 служит возбудителем электрического вибратора 4, который присоединяется вблизи точки возбуждения или у разомкнутого конца полосковой линии. На фиг.6 эта же антенна изображена в проекциях.

На фиг.7 Г-образный центральный проводник 2 вместе с заземленным проводником 1 образуют полосковую линию, которая также служит для возбуждения двух взаимно перпендикулярных поляризаций от электрического вибратора и от горизонтальной части заземленного проводника 1. Электрический вибратор 4 присоединяется вблизи разомкнутых концов Г-образного проводника 2.

На фиг. 8 расположенная на диэлектрической пластине 3 полосковая линия имеет угол меньше 90^o. Под заземленным зонтичным проводником располагается центральный проводник 2 аналогичной формы, ширина которого может быть равной, дольше или меньше ширины заземленного проводника 1. Иначе говоря, полосковая линия имеет две загнутые ветви длиной l₁. На другой верхней половине располагается симметрично относительно точки возбуждения второе плечо заземленного зонтичного проводника. Возбуждается электрический вибратор 4 соединителем 5 аналогично. Электрический вибратор можно присоединять вблизи точки возбуждения и на разомкнутых концах полосковой линии.

Вместо полной зонтичной конструкции можно использовать только половину - левую или правую. Она изображена на фиг.9 без электрического вибратора. У этой антенны можно уменьшить длину печатных проводников почти в 2 раза.

Следует указать, что без электрического вибратора-проводника зонтичная антенна, как и рассмотренные выше, может служить самостоятельным излучателем.

На фиг. 10 и 11 печатная полосковая линия имеет форму диска 2. Она возбуждает электрический вибратор 4, присоединенный к диску в любой точке. Можно использовать одновременно несколько электрических вибраторов. Диск соединяется в точке 7 с экраном 1, не обязательно совпадающей с центром диска. На фиг.10 и 11 точка возбуждения находится на краю диска. Возбуждение осуществляется соединителем 5, центральный проводник которого проходит через экран 1 и плату 3.

Несимметричная антенна на фиг.2 с короткозамкнутой на конце полосковой линией имела следующие размеры: длина центрального проводника полосковой линии L₁=150 мм, длина электрического вибратора L₂=300 мм, ширина центрального проводника полосковой линии W=20 мм, ширина заземленного проводника 30 мм. Стеклотекстолит толщиной 2.5 мм с относительной диэлектрической проницаемостью ε= 4.0. Антенна располагалась над экраном. При КСВ=2 при питании коаксиальным кабелем в 75 Ом полоса частот 210-250 МГц.

Антенна типа "граундплэйн" изображена на фиг.3. Длина разомкнутой полосковой линии L₁=160 мм, длина электрического вибратора 150 мм, длина штырей, присоединенных к заземленному проводнику, 150 мм. Ширина центрального проводника полосковой линии W=18 мм, заземленного проводника W₁=20 мм, диаметр вибратора d= 2 мм. Стеклотекстолит толщиной 2 мм. Диапазон частот при КСВ=3 приблизительно 460-560 МГц. Уровень кросс-поляризации по мощности меньше 0.01. Антенна, изображенная на фиг.6, при размерах заземленного проводника полосковой линии l₁=150 мм и l₂=75 мм и центрального проводника полосковой линии l₃=85 мм и l₄=70 мм и длине электрического вибратора 150 мм, имела на уровне КСВ= 3, при расположении на стеклотекстолите толщиной 3мм с диэлектрической проницаемостью ε= 4 на высоте над экраном 80 мм, полосу частот 520-610 МГц. Диаметр электрического вибратора 2 мм, ширина центрального и заземленного проводников полосковой линии соответственно 10 мм и 15 мм.

Антенна на фиг.8, расположенная на стеклотекстолите толщиной 2 мм, имела следующие размеры: угол α= 45^o, длины заземленного проводника полосковой линии l₁= 80 мм и l₂=80 мм, длины центрального проводника полосковой линии l₃= 90 мм и l₄=80 мм, ширина заземленных проводников полосковой линии W₁=5 мм, ширина центральных проводников 18 мм. Высота над экраном 100 мм. Электрический вибратор, расположенный вертикально над экраном, имел длину 150 мм и диаметр 2 мм. Полоса частот на уровне КСВ=3 составляла 440-590 МГц.

Хорошие характеристики имела несимметричная антенна, изображенная на фиг. 10 и 11, в которой в качестве полосковой линии служит дисковая антенна. Диск на стеклотекстолите толщиной 3 мм имел диаметр 105 мм. Электрический вибратор длиной 450 мм и диаметром 2 мм присоединен к диску в центре. Питание осуществляется на расстоянии 20 мм от центра, короткое замыкание - у края диска. Рабочий диапазон 160-185 МГц на уровне КСВ=3. На резонансной частоте КСВ=1.4 при питании 75-омным кабелем. Антенна расположена над большим металлическим экраном. Диаграмма направленности - обычная для несимметричного вибратора над экраном. Вместо одного можно использовать несколько электрических вибраторов, что приведет к некоторому расширению рабочей полосы частот.

Таким образом, предлагаемое изобретение отличается от известных способом возбуждения несимметричных электрических вибраторов - с помощью полосовых и микрополосовых линий, для которых электрический вибратор является собственно согласованной нагрузкой.

Источники информации
1. Ратхаммель К. Антенны. Пер. с нем. - М.-Л.: Энергия, 1966. - 272 с.

2. Шпиндлер Э. Практические конструкции антенн: Пер. с нем. - М: Мир, 1989. - 448 с.

3. Подторжнов О. М., Воробьева З.М. Печатные полосковые антенны. - М.: 1982. - 54 с. - Обзоры по электронной технике. Сер. Электроника СВЧ // ЦНИИ Электроники. - Вып. 8/202/.

4. Cyril M. Kaloi. Патенты USA 4151531, 4152532, 1155089 от 31.10.1977, класс 343-700 MS.

Изобретение относится к антеннам и может быть использовано для связи и радиосвязи. Несимметричная антенна возбуждается разомкнутой или короткозамкнутой полосковой линией, которая одновременно может служить полосковой антенной прямолинейной или изогнутой, или в форме диска, кольца. Полосковая линия расположена на диэлектрической пластине. К центральному проводнику полосковой линии присоединяется один или несколько электрических вибраторов, причем центральный и внешний проводники коаксиальной линии присоединяются соответственно к центральному и заземленному проводнику полосковой линии. Технический результат заключается в улучшении согласования, заземления и в более простой конструкции. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Несимметричная антенна, содержащая электрический вибратор и расположенную на диэлектрической пластине короткозамкнутую или разомкнутую полосковую линию прямолинейной или изогнутой формы с центральным и заземленным проводниками шириной, значительно меньше длины волны, или короткозамкнутую полосковую линию в форме диска, кольца в присутствии или отсутствии металлического экрана, отличающаяся тем, что электрический вибратор присоединяется к центральному проводнику полосковой линии, к которому для возбуждения присоединяется также центральный проводник коаксиального кабеля, а внешний проводник коаксиального кабеля - к заземленному проводнику полосковой линии. 2. Несимметричная антенна по п.1, отличающаяся тем, что к центральному проводнику полосковой линии в разных точках присоединяется не один, а несколько электрических вибраторов.