ПЕЧАТНАЯ РАМОЧНАЯ АНТЕННА Российский патент 2004 года по МПК H01Q1/38 

Изобретение относится к печатным антеннам, используемым, как самостоятельно, так и в составе антенных решеток дециметрового и сантиметрового диапазона волн в различных областях радиоэлектроники, в том числе телевидении и радиолокации.

На практике в настоящее время используются различные рамочные антенны квадратные, круговые, изготовляемые из проволок, стержней, трубок и лент [1, 2]. Они могут запитываться в вершине одного из углов или посредине одной из сторон или в какой-либо точке круговой рамочной антенны. Основной недостаток - недостаточная воспроизводимость и большие габариты, неудобство питания. Возможен печатный вариант рамочной антенны.

В печатном исполнении близка к предлагаемому изобретению микрополосковая антенна [3], которую также можно запитывать в середине стороны и в вершине угла. Основной недостаток - узкополостность.

В предлагаемом изобретении сделана попытка избежать недостатков конструкций известных антенн [1, 2] и получить рамочную антенну линейной поляризации, которая была бы простой, технологичной и широкополосной. Это одна цель. Другая цель - получить широкополосную антенну круговой поляризации. Это достигается тем, что при возбуждении с помощью коаксиального фидера как антенны линейной поляризации, так и антенны круговой поляризации рекомендуется использовать разомкнутый отрезок проводника на обратной стороне подложки, сравнимый по длине с четвертью длины волны. Одна и та же рамочная (квадратная) антенна путем простых изменений в конструкции может быть антенной линейной и круговой поляризаций. Вместо разомкнутого отрезка проводника для антенны линейной поляризации возможно использовать короткозамкнутый отрезок.

В предлагаемой рамочной антенне используется неразрезной квадрат, прямоугольник или круговая рамка в отличие от обычного проволочного варианта. Для возбуждения неразрезной рамки применен разомкнутый или короткозамкнутый отрезок проводника, который параллелен стороне квадрата или дуге кольца и расположен на обратной стороне подложки [4]. В случае возбуждения в середине стороны квадрата (прямоугольника) для получения линейной или круговой поляризации разомкнутый или короткозамкнутый отрезок изогнут под прямым углом приблизительно посередине, начиная от точки питания. В случае возбуждения в вершине квадрата или прямоугольника и при возбуждении круговой рамки этот отрезок остается прямолинейным или согнутым по дуге кольца. Коаксиальный фидер питания присоединяется к указанному выше отрезку-шлейфу и в середине стороны или в вершине квадрата или в какой-либо точке круговой рамки, причем обычно оплетка присоединяется непосредственно к рамке. Эта рамка является активным излучателем.

В середине рамки можно расположить сплошной металлизированный квадрат, прямоугольник, круг или рамку меньших размеров. Их назначение расширить частотный диапазон в случае линейно-поляризованного излучения. В антенне круговой поляризации этот центральный квадрат или рамка служит для образования зазора между ним и активной рамкой и расширения диапазона в сторону высоких частот. Причем необходимо через зазор перекинуть короткозамыкающую перемычку в середине боковой стороны рамки, противоположной той стороне, где находится открытый конец разомкнутого отрезка проводника.

Если требуется расширить полосу частот в сторону более низких частот, нужно снаружи активной рамки по периметру ее через небольшой зазор разместить рамку из металлической ленты.

Для антенны круговой поляризации указанную выше короткозамыкающую перемычку следует припаять к середине боковой стороны активной рамки и внешней рамки.

Для расширения полосы частот линейно-поляризованного поля одновременно в сторону нижних и высоких частот следует использовать круг, квадрат или прямоугольник или рамку в центре активной рамки и наружную рамку меньшей или большей ширины.

Для работы в нескольких полосах частот внутри и вне основной активной рамки расположены дополнительные активные рамки квадратной или круговой формы с соответствующими разомкнутыми или короткозамкнутыми отрезками на обратной стороне пластины.

Не было обнаружено решений со сходными признаками, поэтому предлагаемая антенна соответствует критерию "изобретательский уровень". Изобретение позволяет расширить полосу частот, упростить конструкцию, увеличить надежность и технологичность и простым способом получить круговую поляризацию в достаточно широкой полосе частот до 20-30%.

На фиг.1 изображена в проекциях печатная рамочная антенна линейной поляризации с питанием в вершине рамки и квадратом в центре рамки, внешняя рамка отсутствует; на фиг.2 изображена та же антенна, но с дополнительной внешней рамкой; на фиг.3 изображена рамочная антенна линейной поляризации с питанием в середине рамки и квадратом в центре рамки; на фиг.4 показана в проекциях антенна круговой поляризации с металлизированным квадратом в центре и внутренней и внешней пассивными рамками.

На фиг.5 изображена печатная круговая рамка линейной поляризации со сплошным кругом в центре, с разомкнутым отрезком проводника или короткозамкнутым (штриховая линия с коротким замыканием в т. А), на фиг.6 изображена печатная круговая рамка с дополнительной круглой рамкой меньшего диаметра, которая может использоваться для работы на другой более высокой частоте той же или перпендикулярной поляризации.

На фиг.1 внутри активной неразрезной рамки 1, размещенной на лицевой стороне подложки 2, с некоторым зазором расположен сплошной металлизированный квадрат 3. Такой же квадрат расположен на обратной стороне подложки. Однако можно ограничиться одним квадратом только на лицевой стороне или только на обратной стороне подложки 2. Вместо сплошного металлизированного квадрата 3 можно взять квадратную или прямоугольную пассивную рамку или вообще обойтись без квадрата и без рамки.

Неразрезная рамка 1 возбуждается коаксиальным фидером, который присоединяется к радиочастотному соединителю 4. Его корпус присоединяется к рамке 1, а центральный проводник к разомкнутому отрезку проводника 5, расположенному на обратной стороне подложки 2 параллельно одной из сторон рамки. Периметр активной рамки 1 выбирается несколько меньше самой низкой длины волны рабочего диапазона.

Конструкция антенны на фиг.2 имеет дополнительную внешнюю рамку.

Антенна на фиг.3 отличается от конструкции на фиг.1 только местом присоединения перехода 4 (в середине стороны квадрата) и изогнутой под прямым углом формы разомкнутого отрезка проводника 5.

Антенна на фиг.4 является излучателем круговой поляризации. Ее отличие от фиг.3 заключается в короткозамыкающих перемычках 7 и 8, которые соединяют середину боковой стороны активной рамки без разомкнутого отрезка проводника на обратной стороне подложки с металлизированными квадратами 6 и 9 вне и внутри активной рамки 1. Центральный квадрат может отсутствовать. Может присутствовать только одна пассивная рамка 6 или 9, что несколько ограничит рабочий диапазон антенны, но зато улучшит согласование и эллиптичность, причем рамка 6 сдвигает полосу частот в сторону низких частот, а рамка 9 в сторону более высоких частот.

На фиг.5 круговая рамка возбуждается разомкнутым или короткозамкнутым отрезком проводника и имеет сплошной круг 3 в центре рамки 1, который, однако, может отсутствовать при некотором сужении полосы частот. Обозначены также зазоры 7 и 8. На фиг.6 дополнительная круговая рамка 9 используется для работы на другой более высокой частоте, причем в зависимости от точки подключения питания поляризация излучения может быть разной. Если использовать внешнюю рамку по отношению к рамке 1, которая на фиг.6 не показана, и возбудить ее, рабочая частота дополнительной рамки будет ниже. Возбуждается основная рамка 1 и дополнительная 9 с помощью разомкнутых проводников 5 и 6.

Квадратная антенна линейной поляризации с питанием в вершине квадрата на фиг.1 имела следующие размеры: толщина подложки 2 из стеклотекстолита 1,5 мм, длина стороны квадратной рамки 1 по средней линии 160 мм, сторона сплошного металлизированного квадрата 3 внутри основной рамки равна 125 мм, ширина стороны рамки 12 мм, ширина зазора между рамкой и квадратом 18 мм, длина разомкнутого отрезка проводника 5 на обратной стороне подложки по средней линии равна 155 мм. Ширина полосы частот на уровне КСВ=3 составляла 435-535 МГц, т.е. около 20%. Боковые и задние лепестки меньше -15 дБ. Ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности в плоскостях Е и Н равна:65′ и 80′ соответственно.

Квадратная антенна круговой поляризации, изображенная на фиг.4, имела размеры: сторона основной рамки 1 по средней линии равна 165 мм, сторона внешней рамки 6 равна 200 мм, сторона внутренней рамки 9 равна 110 мм. Ширина сторон рамок равна 10 мм, зазоры между рамками равны 20 мм, ширина разомкнутых отрезков (шлейфов) 15 мм, При наличии одной коротко замыкающей перемычки 7 антенна имела коэффициент эллиптичности по мощности меньше 1:2 в полосе 350-400 МГц, при наличии одного короткозамыкателя 8 антенна имела коэффициент эллиптичности не более 1:2 в полосе частот 480-580 МГц.

Круговая двухчастотная рамочная антенна на фиг.6 с толщиной подложки 1,5 мм из стеклотекстолита с диаметром внутреннего круга 40 мм, диаметром рамок по средней линии 70 мм и 130 мм, ширине проводников рамок 10 мм и зазорами 20 мм при расположении над металлическим экраном на высоте 30 мм имела на уровне КСВ=3 две полосы частот: 620-710 МГц и 1220-1300 МГц. Ширина диаграммы направленности в плоскости Е в среднем 50′, в плоскости H приблизительно 70′, уровень боковых и задних лепестков не превышает 10 дБ.

Круговая поляризация антенны, изображенной на фиг.4, объясняется следующим образом. При возбуждении рамки 1 происходит отражение тока в местах расположения короткозамыкающей перемычки 7 или 8 и на открытом конце шлейфа 5, при этом общая электрическая длина пройденного током пути составляет 90′. Таким образом, на соседних сторонах рамки токи ортогональны и квадратурны, что и создает круговую поляризацию излучения.

Источники информации

1. Ротхаммель К. Антенны. Пер. с нем.: Энергия, 1966, 272 c.

2. Shoamanesh A., Shafai L. Характеристики круговой рамочной антенны над свободным от потерь экраном //Радиотехника СВЧ: ЭИ/ЦНИИ Электроника. – 1982. – 17, c.14.

3. Подторжнов О.М., Ворбьева З.М. Печатные полосковые антенны – М.: 1982. – 54 c. – (Обзоры по электронной технике. Сер. Электроника СВЧ/ЦНИИ электроники. – Вып.8 (902).

4. Тарасов Н.П. Антенна. Патент RU 2020665, кл. Н 01 Q 1/38, БИ 18, 1994.

Изобретение относится к печатным антеннам линейной и круговой поляризации и может быть использовано в телевидении и связи. Техническим результатом является снижение резонансной частоты, расширение полосы частот, получение круговой поляризации излучения и более простая конструкция. Антенна содержит неразрезную квадратную, прямоугольную или круговую рамку на одной стороне диэлектрической пластины и короткозамкнутый или разомкнутый отрезок проводника прямолинейной или изогнутой формы под сторонами или частью окружности рамки на обратной стороне пластины и возбуждается непосредственно коаксиальным кабелем в середине стороны рамки, в углу или в какой-либо точке круговой рамки. При линейной поляризации внутри или вне активной рамки с некоторым зазором размещается металлизированный квадрат, прямоугольник или круг, или рамка в виде квадрата, прямоугольника или кольца, или любой другой элемент, близкий по форме, или просто металлизированный слой внутри или вне рамки, причем внешний проводник (оплетка) коаксиального кабеля питания присоединяется к активной рамке, а центральный проводник - к разомкнутому или короткозамкнутому отрезку проводника. Для получения круговой поляризации при возбуждении квадратной или прямоугольной рамки в середине одной из сторон соседняя с ней сторона рамки, под которой на обратной стороне диэлектрической пластины отсутствует разомкнутый отрезок проводника, соединена накоротко через зазор со сплошным квадратом, прямоугольником, или рамкой, или металлизированным слоем внутри или вне активно возбужденной рамки. Для работы на нескольких частотах внутри или вне основной активной рамки располагаются дополнительные активные рамки квадратной, прямоугольной или круговой формы с соответствующими разомкнутыми или короткозамкнутыми отрезками проводника на обратной стороне диэлектрической пластины. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Печатная рамочная антенна, состоящая из неразрезной квадратной, прямоугольной или круговой рамки на лицевой стороне диэлектрической пластины и возбуждаемая коаксиальным кабелем, отличающаяся тем, что на обратной стороне диэлектрической пластины размещен разомкнутый или короткозамкнутый отрезок проводника, имеющий с рамкой электромагнитную связь, причем внешний проводник коаксиального кабеля присоединен к рамке, а внутренний проводник присоединен к разомкнутому или короткозамкнутому отрезку проводника.2. Печатная рамочная антенна по п.1, отличающаяся тем, что на лицевой или обратной стороне или на обеих сторонах диэлектрической пластины внутри и (или) вне активной рамки с зазором размещены сплошные металлизированные слои или рамки квадратной, прямоугольной или круговой формы.3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что при возбуждении квадратной или прямоугольной рамки в середине одной из сторон смежная с ней сторона рамки, под которой на обратной стороне диэлектрической пластины отсутствует разомкнутый отрезок проводника, соединена накоротко через зазор со сплошными металлизированными слоями или рамками квадратной или прямоугольной формы внутри и (или) вне активно возбужденной рамки.4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что внутри и вне основной активной рамки расположены дополнительные активные рамки квадратной, прямоугольной или круговой формы с соответствующими разомкнутыми или короткозамкнутыми отрезками проводника на обратной стороне диэлектрической пластины.