ДИАПАЗОННАЯ НАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА Российский патент 2005 года по МПК H01Q19/10 

Диапазонная направленная антенна относится к антенной технике и может быть использована в радиотехнических системах различного назначения в качестве широкополосной малогабаритной самостоятельной антенны либо широкополосного излучателя сложных антенных систем.

Известны антенные устройства, используемые в качестве широкополосного облучателя зеркальной антенны [1, 2, 3]. Существенным недостатком этих систем является уменьшение ширины диаграммы направленности с ростом рабочей частоты, и, как следствие, снижение энергетического потенциала антенной системы в целом в области верхних частот из-за недооблучения зеркала, а также неидентичность ширины диаграммы направленности в ортогональных плоскостях.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является диапазонная направленная антенна [4], которая содержит металлическое зигзагообразное излучающее полотно, вырожденное в кольцо, заполненное двумя металлическими секторами с точками питания в их вершинах, и плоский экран-рефлектор. В металлических секторах выполнены вырезы в форме части сегментов, образованных дугами радиуса R=0,18λ_макс и хордами, проходящими на расстоянии l=0,15λ_макс от точек питания, а боковые поверхности одного металлического сектора соединены с зеркальными, относительно них, боковыми поверхностями другого металлического сектора сопротивлениями R=100-200 Ом в точках, находящихся на расстоянии l=0,15λ_макс от точек питания, где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона.

В этой диапазонной направленной антенне обеспечивается идентичность ширины диаграммы направленности в ортогональных плоскостях, однако ширина диаграммы направленности также уменьшается с ростом частоты.

Техническая задача изобретения - стабилизация ширины диаграммы направленности в рабочей полосе частот.

Указанная задача достигается тем, что в диапазонной направленной антенне, содержащей плоский экран-рефлектор и металлическое зигзагообразное излучающее полотно, вырожденное в кольцо, заполненное двумя металлическими секторами с точками питания в их вершинах и с вырезами в форме части сегментов, образованных дугами радиуса R=0,18λ_макс и хордами, проходящими на расстоянии l=0,15λ_макс от точек питания, а боковые поверхности одного металлического сектора соединены с зеркальными относительно них, боковыми поверхностями другого металлического сектора сопротивлениями R=100-200 Ом в точках, находящихся на расстоянии l=0,15λ_макс от точек питания, согласно изобретению перед металлическим зигзагообразным излучающим полотном на расстоянии d=(0,2-0,3)λ_макс от него установлена соосно с ним диэлектрическая сфера диаметром D₁=(0,45-0,5)λ_макс с диэлектрической проницаемостью ε=(2-3), где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенная диапазонная направленная антенна отличается наличием нового элемента - диэлектрической сферы диаметром D₁=(0,45-0,5)λ_макс с диэлектрической проницаемостью ε=(2-3), установленной перед металлическим зигзагообразным излучающим полотном соосно с ним, на расстоянии d=(0,2-0,3)λ_макс.

Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения “новизна”.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенный элемент известен, однако введение его в диапазонную направленную антенну с указанными размерами и связями позволяет обеспечить в рабочем диапазоне частот такое сложение полей от металлического зигзагообразного излучающего полотна и рассеянного диэлектрической сферой, при котором угловое распределение амплитуды результирующего поля в дальней зоне остается практически постоянным в рабочей полосе частот, т.е. обеспечивается стабилизация ширины диаграммы направленности. Последнее обеспечивает получение положительного эффекта.

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства.

На фиг.1 показан общий вид диапазонной направленной антенны.

На фиг.2 показано металлическое зигзагообразное излучающее полотно диапазонной направленной антенны.

На фиг.3 приведены зависимости ширины диаграммы направленности (2θ°) диапазонной направленной антенны от частоты в плоскостях Е и Н.

Диапазонная направленная антенна (фиг.1) включает в себя плоский экран-рефлектор 1, металлическое зигзагообразное излучающее полотно 2 и диэлектрическую сферу 3. Для придания конструкции жесткости промежуток между металлическим зигзагообразным излучающим полотном 2 и экран-рефлектором 1 заполнен, например, диэлектриком 4 с диэлектрической проницаемостью, близкой к единице, например пенопласт.

Металлическое зигзагообразное излучающее полотно 2 (фиг.2) представляет собой металлическое кольцо диаметром D=0,375λ_макс, заполненное двумя металлическими секторами 5 с точками питания 6 в их вершинах. В металлических секторах 5 выполнены вырезы в форме части сегментов 7, образованных дугами радиуса R=0,18λ_макс и хордами, проходящими на расстоянии l=0,15λ_макс от точек питания. Боковые поверхности одного металлического сектора соединены с зеркальными, относительно них, боковыми поверхностями другого металлического сектора сопротивлениями 8 величиной 100-200 Ом. Технологически металлическое зигзагообразное излучающее полотно 2 выполнено, например, методом фотолитографии на фольгированной диэлектрической подложке.

Диэлектрическая сфера 3 диаметром D₁=(0,45-0,5)λ_макс, выполненная из диэлектрического материала с ε=(2-3), расположена перед металлическим зигзагообразным излучающим полотном 2 соосно с ним, на расстоянии d=(0,2-0,3)λ_макс.

Диапазонная направленная антенна работает следующим образом.

Питающее напряжение подводится к точкам питания 6 металлического зигзагообразного излучающего полотна 2 и возбуждает его. В результате формируется поле излучения, распространяющееся, благодаря наличию экран-рефлектора 1, в направлении диэлектрической сферы 3. Диэлектрическая сфера 3, размеры которой соизмеримы с длиной волны, находясь на пути распространения электромагнитной волны, закрывает часть ее фронта. Незакрытая часть фронта волны, представляющая собой, согласно принципу Гюйгенса, совокупность источников сферических волн, создает излучение, направленное не только в направлении первоначального движения, но и за пределы диэлектрической сферы. В результате дифракции электромагнитной волны на сферической поверхности происходит искажение исходной структуры поля электромагнитной волны и, как следствие, изменение диаграммы направленности антенны. Диаграмма направленности диапазонной направленной антенны с введенной диэлектрической сферой 3 существенно зависит от рабочей длины волны (λ), диаметра D₁ диэлектрической сферы 3, ее диэлектрической проницаемости ε, относительного местоположения и расстояния d между металлическим зигзагообразным излучающим полотном 2 и диэлектрической сферой 3. При этом важно, что с ростом частоты и размеров диэлектрической сферы (увеличением отношения D₁/λ) степень искажения исходной структуры поля возрастает, а диаграмма направленности диапазонной направленной антенны, с введенной диэлектрической сферой, расширяется по сравнению с исходной. Следовательно, варьируя значениями D₁, ε, d и местоположением диэлектрической сферы, можно подобрать такие их величины, при которых закон расширения диаграммы направленности с ростом частоты при введении диэлектрической сферы 3 будет обратно пропорционален закону ее сужения в отсутствие последней. В результате чего диаграмма направленности диапазонной направленной антенны с введенной диэлектрической сферой 3 будет оставаться практически неизменной в диапазоне рабочих частот.

Экспериментально установлено, что наиболее оптимальным с точки зрения наилучшей идентичности диаграмм направленности в ортогональных плоскостях и стабилизации ширины диаграммы направленности в рабочей полосе частот является соосное расположение диэлектрической сферы 3 с металлическим зигзагообразным излучающим полотном 2 при расстоянии d=(0,2-0,3)λ_макс между ними и диаметре диэлектрической сферы 3 D₁=(0,45-0,5)λ_макс. При уменьшении диаметра D₁ наблюдается обужение диаграммы направленности (ДН) в области верхних частот, а при его увеличении (D₁>0,5λ_макс) увеличивается степень расширения ДН в области верхних частот. При фиксированном значении D₁=(0,45-0,5)λ_макс аналогичная картина наблюдается при изменении расстояния d между металлическими зигзагообразным излучающим полотном 2 и диэлектрической сферой 3 сверх установленных границ, т.е. [(0,2-0,3)λ_макс<d<(0,2-0,3)λ_макс].

Изменение диэлектрической проницаемости сферы в пределах ε=(2-3) практически не ведет к изменению ДН и энергетического потенциала антенны.

Однако при дальнейшем увеличении диэлектрической проницаемости (ε>3) происходит снижение КПД антенны вследствие увеличения поглощения электромагнитной волны на поверхности диэлектрической сферы.

Результаты измерения ширины диаграммы направленности диапазонной направленной антенны с введенной диэлектрической сферой 3 в полосе рабочих частот, приведенные на фиг.3, показывают, что при выбранных значениях D₁=(0,45-0,5)λ_макс и d<(0,2-0,3)λ_макс диаграммы направленности в плоскостях Е и Н отличаются незначительно, а их ширина по уровню половинной мощности изменяется в октавной полосе рабочих частот не более чем на 10-15%, в то время как ширина ДН антенны-прототипа изменяется практически вдвое.

Предложенное техническое решение позволяет при использовании диапазонной направленной антенны в качестве облучателя зеркальных антенн обеспечить их эффективное облучение в двукратной полосе частот и тем самым повысить энергетический потенциал приемной системы в области верхних частот на 3-4 дБ.

Источники информации

1. Авт. св. № 1022242, кл. H 01 Q 1/38, 9/00, 07.06.83.

2. Авт. св. № 1483508, кл. H 01 Q 1/00, от 30.05.89.

3. К. Харченко. УКВ-антенны. М.: ДОСААФ, 1969, с.91.

4. Патент РФ № 2076407, кл. H 01 Q 19/10, 27.03.97. БИ №3.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах различного назначения в качестве широкополосной малогабаритной самостоятельной антенны либо широкополосного излучателя сложных антенных систем. Техническим результатом является стабилизация ширины диаграммы направленности в рабочей полосе частот. Диапазонная направленная антенна содержит плоский экран-рефлектор и металлическое зигзагообразное излучающее полотно, заполненное двумя металлическими секторами с точками питания в их вершинах и с вырезами в форме части сегментов, образованных дугами радиуса R=0,18λ_макс и хордами, проходящими на расстоянии l=0,15λ_макс от точек питания, а боковые поверхности одного металлического сектора соединены с зеркальными, относительно них, боковыми поверхностями другого металлического сектора сопротивлениями R=(100-200) Ом в точках, находящихся на расстоянии l=0,15λ_макс от точек питания, при этом перед металлическим зигзагообразным излучающим полотном на расстоянии d=(0,2-0,3) λ_макс от него установлена соосно с ним диэлектрическая сфера диаметром D₁=(0,45-0,5) λ_макс с диэлектрической проницаемостью ε=(2-3), где λ_макс - максимальная длина волны. 3 ил.

Диапазонная направленная антенна, содержащая плоский экран-рефлектор и металлическое зигзагообразное излучающее полотно, вырожденное в кольцо, заполненное двумя металлическими секторами с точками питания в их вершинах и с вырезами в форме части сегментов, образованных дугами радиуса R=0,18λ_макс и хордами, проходящими на расстоянии l=0,15λ_макс от точек питания, а боковые поверхности одного металлического сектора соединены с зеркальными относительно них боковыми поверхностями другого металлического сектора сопротивлениями R=(100-200) Ом в точках, находящихся на расстоянии l=0,15λ_макс от точек питания, отличающаяся тем, что перед металлическим зигзагообразным излучающим полотном на расстоянии d=(0,2-0,3)λ_макс от него, установлена соосно с ним диэлектрическая сфера диаметром D₁=(0,45-0,5)λ_макс с диэлектрической проницаемостью ε=(2-3), где λ_макс - максимальная длина волны.