АНТЕННА Российский патент 2004 года по МПК H01Q1/38 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах в качестве направленной антенны линейной поляризации.

Известна антенна, содержащая диэлектрическую подложку, два отрезка проводников, образующих фидерную линию, каждый из которых размещен на диэлектрической подложке и выполнен из узких прямоугольников и из широких прямоугольников, соединенных и чередующихся между собой вдоль продольной оси отрезков проводников, причем узкие прямоугольники одного отрезка проводников расположены напротив широких прямоугольников другого отрезка проводников, а длина сторон узких и широких прямоугольников вдоль продольной оси отрезков проводников выбрана λ/2, где λ - длина средней рабочей волны (Патент США №5339089, Н 01 Q 1/38, опубл. 1994 г.).

В этой антенне два отрезка проводников расположены на противоположных поверхностях диэлектрической подложки. Края широких прямоугольников одного отрезка проводников загнуты вдоль торцов диэлектрической подложки в направлении к узким прямоугольникам другого отрезка проводников в виде желобов и образованные желоба частично с торцов узких прямоугольников окружают отрезок проводника.

Это техническое решение имеет следующие ограничения.

Поскольку излучение осуществляется со стороны широких прямоугольников, а узкие прямоугольники выполняют только функцию отрезков линии соединения широких прямоугольников, то необходимо подавлять излучение от узких прямоугольников для обоих отрезков проводников. Принудительное подавление излучения для узких прямоугольников приводит к уменьшению общей излучающей поверхности и, как следствие, к уменьшению сопротивления излучения антенны. Таким образом, коэффициент полезного действия (КПД) и коэффициент направленного действия (КНД) уменьшается.

Кроме того, известное техническое решение является конструктивно сложным. Трудно обеспечить точность совмещения желобов относительно узких прямоугольников, необходимо технологически обрабатывать торцы диэлектрической пластины, необходимо использовать процессы фотолитографии или другие методы нанесения конфигурации отрезков проводников для обоих сторон диэлектрической пластины. Такая конструкция практически исключает возможность расположения антенны над плоским экраном с обеспечением равновеликого воздействия наведенных от плоского экрана сопротивлений для обоих отрезков проводников одновременно с целью обеспечения синфазного излучения.

Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных параметров антенны.

Технический результат, который может быть получен при выполнении антенны, - увеличение сопротивления излучения за счет полного использования энергии токов высоких частоты, протекающих по отрезками проводников фидерной линии; увеличение КПД и КНД; упрощение конструкции.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известной антенне, содержащей диэлектрическую подложку, два отрезка проводников, образующих фидерную линию, каждый из которых размещен на диэлектрической подложке и выполнен в виде узких прямоугольников и широких прямоугольников, соединенных и чередующихся между собой вдоль продольной оси отрезков проводников, причем узкие прямоугольники одного отрезка проводников расположены напротив широких прямоугольников другого отрезка проводников, а длина сторон узких и широких прямоугольников вдоль продольной оси отрезков проводников выбрана λ/2, где λ - длина средней рабочей волны, согласно изобретению два отрезка проводников размещены на одной стороне поверхности диэлектрической подложки, при этом для каждого из отрезков проводников одна из сторон узкого прямоугольника совмещена со стороной широкого прямоугольника с образованием обращенных друг к другу параллельных линий между отрезками проводников, для каждого из отрезков проводников введены прямоугольные пластины, расположенные на диэлектрической подложке в промежутках между широкими прямоугольниками с образованием щелевого зазора с узким прямоугольником и с соседним широким прямоугольником.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:

- щелевой зазор между прямоугольной пластиной и соседними широкими прямоугольниками и узким прямоугольником был выполнен П-образным;

- на противоположных краях отрезков проводников щелевой зазор между прямоугольной пластиной и широким прямоугольником и узким прямоугольником был выполнен Г-образным;

- ширина t щелевого зазора выбрана удовлетворяющей условию 0,008≤t/λ≤0,012;

- одна из сторон прямоугольной пластины была расположена на одной прямой линии со сторонами широких прямоугольников;

- одна из сторон прямоугольной пластины была расположена с выступом за габариты широких прямоугольников;

- одна из сторон широких прямоугольников была расположена с выступом за габариты прямоугольной пластины;

- был введен плоский экран, расположенный параллельно диэлектрической подложке на расстоянии, выбранном из условия 0,15≤S/λ≤0,3;

- были введены пластинчатые директоры, пространственно расположенные параллельно упомянутым широким и узким прямоугольникам отрезков проводников, при этом максимальная длина каждого пластинчатого директора выбрана равной длине отрезка проводника вдоль его продольной оси.

В дополнение к последним вариантам возможны варианты, в которых:

- пластинчатые директоры выполнены с шириной пластины меньшей, чем ширина широкого прямоугольника, пластинчатые директоры расположены между плоским экраном и диэлектрической подложкой, а обращенные друг к другу продольные стороны пластинчатых директоров и упомянутые обращенные друг к другу параллельные линии совмещения сторон узкого прямоугольника и широкого прямоугольника отрезков проводников расположены соответственно в плоскостях, ортогональных плоскому экрану;

- пластинчатые директоры выполнены с шириной пластины меньшей, чем ширина широкого прямоугольника, диэлектрическая подложка расположена между плоским экраном и пластинчатыми директорами, а обращенные друг от друга продольные стороны пластинчатых директоров и обращенные друг от друга стороны широких прямоугольников отрезков проводников расположены соответственно в плоскостях, ортогональных плоскому экрану.

Кроме того, могут быть введены проволочные директоры, пространственно расположенные в параллельной плоскости к диэлектрической пластине и в одной ортогональной плоскости с узкой стороной широкого прямоугольника, при этом длина l_д проволочного директора выбрана меньшей, чем ширина широкого прямоугольника.

В дополнение к последнему варианту аналогично предыдущим вариантам возможны варианты выполнения антенны, в которых:

- проволочные директоры расположены между плоским экраном и диэлектрической подложкой, а обращенные друг к другу края проволочных директоров и упомянутые обращенные друг к другу параллельные линии совмещения сторон узкого прямоугольника и широкого прямоугольника отрезков проводников расположены соответственно в плоскостях, ортогональных плоскому экрану;

- диэлектрическая подложка расположена между плоским экраном и проволочными директорами, а обращенные друг от друга края проволочных директоров и обращенные друг от друга стороны широких прямоугольников отрезков проводников расположены соответственно в плоскостях, ортогональных плоскому экрану;

- продольные края диэлектрической подложки с размещенными на них частями широких прямоугольников и частями прямоугольных пластин были выполнены изогнутыми и обращенными друг к другу.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг.1 изображает заявленную антенну, вид сверху; фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; фиг.3 - сечение В-В на фиг.1; фиг.4 - антенну с выступающими прямоугольными пластинами; фиг.5 - антенну с выступающими широкими прямоугольниками; фиг.6 - заявленную антенну над плоским экраном, схематично; фиг.7 - вид антенны с директорами в сечении, проходящем через точки а и b приложения ЭДС в плоскости YZ на фиг.6, расположенную над плоским экраном, схематично; фиг.8 - антенну с загнутыми продольными краями диэлектрической подложки.

Антенна (фиг.1, 2, 3) содержит диэлектрическую подложку 1, два отрезка 2, 3 проводников, образующих фидерную линию. Каждый из отрезков 2, 3 проводников размещен на диэлектрической подложке и 1 выполнен в виде узких прямоугольников 4 и широких прямоугольников 5, соединенных и чередующихся между собой вдоль продольной оси отрезков 2, 3. Узкие прямоугольники 4 одного отрезка 2 проводников расположены напротив широких прямоугольников 5 другого отрезка 3 проводников. Длина сторон узких прямоугольников 4 и широких прямоугольников 5 вдоль продольной оси отрезков 2, 3 выбрана λ/2, где λ - длина средней рабочей волны. Два отрезка 2, 3 проводников размещены на одной стороне поверхности диэлектрической подложки 1. Для каждого из отрезков 2, 3 стороной широкого прямоугольника 5 с образованием обращенных друг к другу параллельных линий между отрезками 2, 3 проводников. Для каждого из отрезков 2, 3 проводников введены прямоугольные пластины 6, расположенные на диэлектрической подложке 1 в промежутках между широкими прямоугольниками 5 с образованием щелевого зазора 7 с узким прямоугольником 4 и с соседним широким прямоугольником 5.

Щелевой зазор 7 (фиг.1) между прямоугольной пластиной 6 и соседними широкими прямоугольниками 5 и узким прямоугольником 4 выполнен П-образным, а на противоположных краях отрезков 2, 3 проводников щелевой зазор 7 между прямоугольной пластиной 6 и широким прямоугольником 5 и узким прямоугольником 4 выполнен Г-образным.

Ширина t щелевого зазора 7 (фиг.1-3) выбрана удовлетворяющей условию 0,008<t/λ<0,012. Ширина паза между отрезками 2, 3 проводников выбрана 2-4 мм.

Кроме того, одна из сторон прямоугольной пластины 6 может быть расположена на одной прямой линии со сторонами широких прямоугольников 5 (фиг.1).

Одна из сторон прямоугольной пластины 6 расположена с выступом за наружный габарит широких прямоугольников 5 (фиг.4).

Одна из сторон широких прямоугольников 5 расположена с выступом за габарит прямоугольной пластины 6 (фиг.5).

Кроме того, в устройство может быть введен плоский экран 8 (фиг.6), расположенный параллельно диэлектрической подложке 1 на расстоянии S, выбранном из условия 0,15≤S/λ≤0,3.

Могут быть введены пластинчатые директоры 9 (фиг.7), пространственно расположенные параллельно упомянутым широким и узким прямоугольникам 4, 5 отрезков 2, 3 проводников, при этом максимальная длина каждого пластинчатого директора 9 выбрана равной длине отрезка 2 и 3 проводника вдоль его продольной оси.

Кроме того, пластинчатые директоры 9 (фиг.7) могут быть выполнены с шириной пластины меньшей, чем ширина широкого прямоугольника 5. Пластинчатые директоры 9 расположены между плоским экраном 8 и диэлектрической подложкой 1, а обращенные друг к другу продольные стороны пластинчатых директоров 9 и упомянутые обращенные друг к другу параллельные линии совмещения сторон узкого прямоугольника 4 и широкого прямоугольника 5 отрезков 2, 3 проводников расположены соответственно в плоскостях, ортогональных плоскому экрану 8 (фиг.7 - нижние пластинчатые директоры 9).

Кроме того, пластинчатые директоры 9 могут быть также выполнены с шириной пластины меньшей, чем ширина широкого прямоугольника 5. Диэлектрическая подложка 1 расположена между плоским экраном 8 и пластинчатыми директорами 9. Обращенные друг от друга продольные стороны пластинчатых директоров 9 и обращенные друг от друга стороны широких прямоугольников 5 отрезков 2, 3 проводников расположены соответственно в плоскостях, ортогональных плоскому экрану 8 (фиг.7 - верхние пластинчатые директоры 9).

Могут быть введены и проволочные директоры 9 (на фиг.7 показаны той же позицией, что и пластинчатые директоры 9), пространственно расположенные в параллельной плоскости к диэлектрической пластине 1 и в одной ортогональной плоскости с узкой стороной широкого прямоугольника, при этом длина l_д проволочного директора 9 выбрана меньшей, чем ширина широкого прямоугольника 5: l_д<λ/2, а расположены проволочные директоры 9 одинаково на всех λ/2 участках отрезков проводников 2, 3.

Проволочные директоры 9 могут быть расположены между плоским экраном 8 и диэлектрической подложкой 1, а обращенные друг к другу края проволочных директоров 9 и упомянутые обращенные друг к другу параллельные линии совмещения сторон узкого прямоугольника 4 и широкого прямоугольника 5 отрезков 2, 3 проводников расположены соответственно в плоскостях, ортогональных плоскому экрану 8 (фиг.7 - нижние проволочные директоры 9).

Диэлектрическая подложка 1 может быть расположена между плоским экраном 8 и проволочными директорами 9, а обращенные друг от друга края проволочных директоров 9 и обращенные друг от друга стороны широких прямоугольников 5 отрезков 2, 3 проводников расположены соответственно в плоскостях, ортогональных плоскому экрану 8 (фиг.7 - верхние проволочные директоры 9).

Продольные края диэлектрической подложки 1 с размещенными на них частями широких прямоугольников 5 и частями прямоугольных пластин 6 могут быть выполнены изогнутыми и обращенными друг к другу (фиг.8).

Работает антенна следующим образом (фиг.1-3).

Как видно из фиг.1, 4, 5, щелевые зазоры 7 (П-образные) для отрезка 2 проводника сдвинуты по отношению к щелевым зазорам 7 (П-образным), для отрезка 3 проводника на λ/2. Поэтому сами отрезки 2, 3 проводников разграничены на участки длиной λ, образованные из узких прямоугольников 4 и из широких прямоугольников 5.

Под воздействием ЭДС, приложенной в одном или нескольких сечениях паза между отрезками 2, 3 проводников, схематично показанных точками а, b, с, d и расположенных посередине секций λ/2, возникают токи стоячей волны, т.к. концы отрезков 2, 3 проводников не нагружены. Через λ/2 на узких прямоугольниках 4 и широких прямоугольниках 5 отрезка 2 фаза токов скачком изменяется на 180°, и аналогично изменяется фаза на отрезке 3 проводника. Соседние участки секции λ/2 оказываются в противофазе. Введение прямоугольных пластин 6 с образованием щелевого зазора 7 между узкими прямоугольниками 4 и широкими прямоугольниками 5 позволяет использовать их в качестве трансформаторов фазы, сдвигая ее на 90°. Разность фаз в 180° между токами отрезка 2 проводника по отношению к токам отрезка 3 проводника, которая возникает вследствие симметричного возбуждения вводимой ЭДС антенны, компенсируется конструктивным сдвигом в пространстве на λ/2 (на 180° по фазе) одного широкого прямоугольника 5 отрезка 2 относительно другого широкого прямоугольника отрезка 3 (и соответственно такого же сдвига узких прямоугольников 4). В результате такого сдвига широкие пластины 5 отрезка 2 расположены напротив прямоугольных пластин 6 отрезка 3, и наоборот. В совокупности вся поверхность антенны (все участки отрезков 2, 3 проводников) являются излучающими и находятся в состоянии синфазности. Поверхность излучения антенны приближается к максимально возможной - к площади геометрической поверхности отрезков 2, 3 проводников с прямоугольными пластинами 6.

Поверхность отрезков 2, 3 проводников с прямоугольными пластинами 6 может быть выполнена при одном или нескольких вводах ЭДС достаточно протяженной, что позволяет достичь большого значения коэффициента направленного действия (КНД до 20 дБ) при высокой величине КПД.

Варианты выполнения прямоугольной пластины 6 с выступом за габариты широкого прямоугольника 5 или выступа габаритов широкого прямоугольника 5 за поперечный габарит прямоугольной пластины 6 могут быть использованы для изменения рабочей полосы частот.

Продольные края диэлектрической подложки 1 с размещенными на них частями широких прямоугольников 5 и частями прямоугольных пластин 6 могут быть выполнены изогнутыми под углом 90°≤ϕ≤180° и обращенными друг к другу (фиг.8). В зависимости от величины угла ϕ можно производить настройку входного сопротивления антенны относительно питающего фидера для согласования.

Наиболее успешно заявленная антенна может быть промышленно применима в качестве направленной антенны линейной поляризации.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах в качестве направленной антенны линейной поляризации. Техническим результатом является увеличение сопротивления излучения за счет полного использования энергии токов высоких частот, протекающих по отрезкам проводников фидерной линии; увеличение КПД и КНД; упрощение конструкции. Антенна содержит диэлектрическую подложку, два отрезка проводников, образующих фидерную линию. Оба отрезка размещены на диэлектрической подложке и выполнены в виде узких прямоугольников и широких прямоугольников, соединенных и чередующихся между собой вдоль продольной оси. Узкие прямоугольники одного отрезка проводников расположены напротив широких прямоугольников другого отрезка проводников. Оба отрезка проводников размещены на одной стороне поверхности диэлектрической подложки. Одна из сторон узкого прямоугольника совмещена со стороной широкого прямоугольника с образованием обращенных друг к другу параллельных линий между отрезками проводников. Введены прямоугольные пластины, расположенные на диэлектрической подложке в промежутках между широкими прямоугольниками с образованием щелевого зазора с узким прямоугольником и с соседним широким прямоугольником. 14 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Антенна, содержащая диэлектрическую подложку, два отрезка проводников, образующих фидерную линию, каждый из которых размещен на диэлектрической подложке и выполнен в виде узких прямоугольников и широких прямоугольников, соединенных и чередующихся между собой вдоль продольной оси отрезков проводников, причем узкие прямоугольники одного отрезка проводников расположены напротив широких прямоугольников другого отрезка проводников, а длина сторон узких и широких прямоугольников вдоль продольной оси отрезков проводников выбрана λ/2, где λ - длина средней рабочей волны, отличающаяся тем, что два отрезка проводников размещены на одной стороне поверхности диэлектрической подложки, при этом для каждого из отрезков проводников одна из сторон узкого прямоугольника совмещена со стороной широкого прямоугольника с образованием обращенных друг к другу параллельных линий между отрезками проводников, для каждого из отрезков проводников введены прямоугольные пластины, расположенные на диэлектрической подложке в промежутках между широкими прямоугольниками с образованием щелевого зазора с узким прямоугольником и с соседним широким прямоугольником.2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что щелевой зазор между прямоугольной пластиной и соседними широкими прямоугольниками и узким прямоугольником выполнен П-образным.3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что на противоположных краях отрезков проводников щелевой зазор между прямоугольной пластиной и широким прямоугольником и узким прямоугольником выполнен Г-образным.4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что ширина t щелевого зазора выбрана удовлетворяющей условию 0,008<t/λ<0,012.5. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что одна из сторон прямоугольной пластины расположена на одной прямой линии со сторонами широких прямоугольников.6. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что одна из сторон пластины расположена с выступом за габариты широких прямоугольников.7. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что одна из сторон широких прямоугольников расположена с выступом за габариты прямоугольной пластины.8. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что введен плоский экран, расположенный параллельно диэлектрической подложке на расстоянии S, выбранном из условия 0,15≤S/λ≤0,3.9. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что введены пластинчатые директоры, пространственно расположенные параллельно упомянутым широким и узким прямоугольникам отрезков проводников, при этом максимальная длина каждого пластинчатого директора выбрана равной длине отрезка проводника вдоль его продольной оси.10. Антенна по п.8 или 9, отличающаяся тем, что пластинчатые директоры выполнены с шириной пластины меньшей, чем ширина широкого прямоугольника, пластинчатые директоры расположены между плоским экраном и диэлектрической подложкой, а обращенные друг к другу продольные стороны пластинчатых директоров и упомянутые обращенные друг к другу параллельные линии совмещения сторон узкого прямоугольника и широкого прямоугольника отрезков проводников расположены соответственно в плоскостях, ортогональных плоскому экрану.11. Антенна по п.8 или 9, отличающаяся тем, что пластинчатые директоры выполнены с шириной пластины меньшей, чем ширина широкого прямоугольника, диэлектрическая подложка расположена между плоским экраном и пластинчатыми директорами, а обращенные друг от друга продольные стороны пластинчатых директоров и обращенные друг от друга стороны широких прямоугольников отрезков проводников расположены соответственно в плоскостях, ортогональных плоскому экрану.12. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что введены проволочные директоры, пространственно расположенные в параллельной плоскости к диэлектрической пластине и в одной ортогональной плоскости с узкой стороной широкого прямоугольника, при этом длина l_д проволочного директора выбрана меньшей, чем ширина широкого прямоугольника.13. Антенна по п.8 или 12, отличающаяся тем, что проволочные директоры расположены между плоским экраном и диэлектрической подложкой, а обращенные друг к другу края проволочных директоров и упомянутые обращенные друг к другу параллельные линии совмещения сторон узкого прямоугольника и широкого прямоугольника отрезков проводников расположены соответственно в плоскостях, ортогональных плоскому экрану.14. Антенна по п.8 или 12, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка расположена между плоским экраном и проволочными директорами, а обращенные друг от друга края проволочных директоров и обращенные друг от друга стороны широких прямоугольников отрезков проводников расположены соответственно в плоскостях, ортогональных плоскому экрану.15. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что продольные края диэлектрической подложки с размещенными на них частями широких прямоугольников и частями прямоугольных пластин выполнены изогнутыми и обращенными друг к другу.