АНТЕННА Российский патент 2006 года по МПК H01Q13/24 

Изобретение относится к антеннам диэлектрическим направленного действия.

Распространенная конструкция диэлектрических стержневых антенн представляет собой диэлектрический стержень с постоянным или плавно изменяющимся сечением, являющийся направителем электромагнитных волн. Возбуждается стержень либо металлическим штырем, расположенным в короткозамкнутом отрезке волновода, либо непосредственно пристыкованным к нему волноводом (см.кн. Г.Б.Белоцерковский «Антенны», ч.2. М., Радио и связь, 1983, с.139-140). Данное устройство взято в качестве прототипа.

Однако во многих случаях усложнение технологии изготовления и материалоемкости конструкции антенны, связанные с применением металлического волновода и искусственных диэлектрических материалов, приводит к ее неоправданному удорожанию.

Задачей создания изобретения является упрощение конструкции диэлектрической антенны при сохранении высоких энергетических параметров и технологичности ее изготовления.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, антенна, содержащая направитель из диэлектрического материала в форме правильной пирамиды с основанием в виде призмы, в которой установлен преобразователь энергии электромагнитной волны в ток.

Особенности конструктивного выполнения направителя нашли отражение в пунктах 2-4, 7 и 8 формулы изобретения, а именно угол наклона каждой грани пирамиды относительно основания составляет 40-60°; направитель имеет высоту, не превышающую длину стороны основания пирамиды; направитель выполнен из материала, имеющего диэлектрическую проницаемость >1, например природного известняка; грани пирамиды имеют ступенчатую зонированную поверхность; направитель имеет форму усеченной пирамиды.

В пункте 5 формулы изобретения описан преобразователь антенны, который представляет собой металлический резонансный вибратор.

В пункте 6 формулы изобретения отмечается, что направитель имеет контррефлектор, который выполнен или в виде полости в форме полусферы, или в виде наклонных плоскостей.

При работе на длинах волн, соизмеримых с линейными размерами антенны, концентрацию энергии падающей волны в фазовый центр осуществляет плоская преломляющая поверхность, расположенная под углом 40-60° к направлению распространения электромагнитной волны. В результате, длина стержневой антенны может быть значительно уменьшена, а металлический волновод исключен из нее совсем. Для волн линейной поляризации такие плоские преломляющие поверхности образуют правильную пирамиду с высотой, не превышающей длины стороны ее основания. Для волн круговой поляризации множественность плоских преломляющих поверхностей образуют конус с высотой, не превышающей диаметр основания конуса.

Таким образом, техническим результатом данного изобретения является упрощение конструкции диэлектрической антенны при сохранении высоких энергетических параметров и технологичности ее изготовления.

Указанные выше признаки, каждый в отдельности и все совместно, направлены на решение поставленной задачи и являются существенными. Использование существенных признаков в средстве того же назначения как заявленное изобретение в известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «новизна».

Единая совокупность новых существенных признаков с общими, известными, обеспечивает решение поставленной задачи - упрощение конструкции диэлектрической антенны при сохранении высоких энергетических параметров и технологичности ее изготовления.

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его примера реализации и прилагаемыми чертежами:

на фиг.1 показан общий вид пирамидальной антенны; на фиг.2 - вид зонированной пирамидальной антенны: на фиг.3 - вид антенны с изломом граней, совмещающей две антенны в одной конструкции; на фиг.4 - вид многочастотной антенны; на фиг.5 - разновидность антенны фиг.1 с ограничительным фильтром НЧ в вершине пирамиды; на фиг.6 - разновидность антенны фиг.5 для узкой полосы частот; на фиг.7, 8а и 8б показано изменение положения фазового центра при изменении угла наклона граней пирамиды; на фиг.9 показан общий вид конической антенны; на фиг.10 - вид зонированной конической антенны; на фиг.11 - вид совмещенной конической антенны; на фиг.12 - вид многочастотной конической антенны; на фиг.13 - разновидность антенны фиг.9 с ограничительным фильтром НЧ в вершине конуса; на фиг.14 - разновидность антенны фиг.13 для узкой полосы частот; на фиг.15 - разрез облегченной конструкции антенны фиг.1, 9, имеющей внутреннюю непреломляющую поверхность; на фиг.16 показано падение электромагнитной волны на коническую поверхность антенны фиг.1, 9; на фиг.17 показано размещение контррефлектора в направителе; на фиг.18а, б показана схема работы антенны как на прием, так и на излучение; на фиг.19 показано размещение фазовых центров на совмещенной антенне; на фиг.20 показано размещение контррефлектора в виде полусферы; на фиг.21 - ход лучей антенны фиг.5.

Позиции на чертежах обозначают: Для пирамидальной антенны - фиг.1-8.

Антенна содержит направитель 1 из диэлектрического материала, выполненный в форме правильной пирамиды с основанием в виде призмы 2, причем фазовый центр антенны F размещен в районе пересечения высоты пирамиды и плоскости ее основания, в котором установлен преобразователь 3 энергии электромагнитной волны в ток электрического заряда. Радиус-векторы напряженности магнитного потока - 4; преломляющая поверхность - 5. Ход лучей конструкции антенны как на фиг.5 отражен на фиг.21.

Для конической антенны фиг.9-16.

Антенна содержит направитель 1 из диэлектрического материала, который выполнен в форме конуса с основанием в виде цилиндра 2, причем фазовый центр антенны F размещен в районе пересечения высоты конуса и плоскости его основания, в котором установлен преобразователь 3 энергии электромагнитной волны в ток электрического заряда. Радиус-векторы напряженности магнитного потока - 4; преломляющая поверхность - 5; непреломляющая поверхность - 6; диэлектрический контррефлектор - 7 (фиг.17, 20).

Антенна состоит из диэлектрического направителя и преобразователя поля в ток, представляющего собой металлический резонансный вибратор, установленный в фазовом центре антенны. В качестве материала корпуса используется любой диэлектрик с относительной диэлектрической проницаемостью ε>1, например природный известняк, имеющий ε=4,78, δ=10^-3 и абсолютный показатель преломления √ε.

В основу принципа действия антенны положен закон преломления (закон Снеллиуса), устанавливающий зависимость угла преломления электромагнитной волны от угла ее падения на границу раздела разных диэлектрических сред. Концентрация в фазовом центре энергии электромагнитной волны происходит в результате неодинакового преломления участками преломляющей поверхности внедряющегося в диэлектрик антенны магнитного потока этой волны, вследствие чего антенна имеет фазовый центр с синусоидальным характером изменения в нем напряженности электромагнитного поля. Угол 40-60° наклона граней пирамиды и образующей конуса является оптимальным, если взять угол менее 40°, то фазовый центр смещается вниз и антенна будет неоправданно длинной, если угол взять больше 60°, то будет неэффективным использование плоскостей граней пирамиды и образующей конуса из-за преломления.

Антенна может работать на прием и излучение электромагнитной энергии как в направлении А, так и в направлении Б (фиг.18а, б) благодаря наличию двух фазовых центров F1 и F2 и, как следствие, двух диаграмм направленности, ориентированных в противоположные стороны. Для излучения в направлении А фазовый центр F1 находится под вершиной вблизи основания пирамиды или конуса, для излучения в направлении Б фазовый центр F2 совпадает с вершиной пирамиды или конуса.

Антенна допускает изменение ширины и направления главного лепестка диаграммы направленности изменением положения фазовых центров F1 и F2 в соответствующей плоскости.

Для повышения КПД антенна может иметь зонированную преломляющую поверхность (фиг.2, 10).

Антенна допускает совмещение двух и более антенн в одной конструкции путем излома преломляющей поверхности в произвольном сечении (фиг.3, 11). В этом случае антенна имеет для каждой такой поверхности самостоятельный фазовый центр (F₁ ^' и F₂ ^' на фиг.19 ). Необходимым элементом направителя является контррефлектор 7 фиг.17, 20, размещенный в фазовом центре в виде полости, имеющей форму полусферы или наклонных плоскостей.

Изменение характеристик направленности, а также поляризационных, частотных и фазовых характеристик антенны осуществляется: изменением линейных размеров пирамиды или конуса, а также размеров призмы или цилиндра в их основании; изменением диэлектрической проницаемости пирамиды или конуса; изменением угла наклона преломляющих поверхностей; изменением геометрии основания; наличием среза вершины пирамиды или конуса, а также изменением его положения, наклона и конфигурации.

Предлагаемое техническое решение найдет широкое применение в качестве приемной или передающей антенны, в т.ч. дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн.

Технологически антенна может быть изготовлена путем прессования порошка синтетического или природного диэлектрика или их смеси, обеспечивая чрезвычайно низкую себестоимость при массовом производстве с сохранением высоких энергетических характеристик.

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат заключается в упрощении конструкции. Сущность изобретения состоит в том, что антенна выполнена из диэлектрика в форме правильной пирамиды с основанием в виде призмы, в которой установлен преобразователь. 7 з.п. ф-лы, 23 ил.

1. Антенна, содержащая направитель из диэлектрического материала в форме правильной пирамиды с основанием в виде призмы, в которой установлен преобразователь энергии электрической волны в ток.2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что угол наклона каждой грани пирамиды относительно основания составляет 40-60°.3. Антенна по п.1 или 2, отличающаяся тем, что направитель имеет высоту, не превышающую длину стороны основания пирамиды.4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что направитель выполнен из материала, имеющего диэлектрическую проницаемость >1, например природного известняка.5. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что преобразователь представляет собой металлический резонансный вибратор.6. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что направитель имеет контррефлектор, выполненный или в виде полости в форме полусферы, или в виде наклонных плоскостей.7. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что грани пирамиды имеют ступенчатую зонированную поверхность.8. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что направитель имеет форму усеченной пирамиды.