АНТЕННА Российский патент 2008 года по МПК H01Q1/36 

Изобретение относится к радиоприемным устройствам и может быть использовано при конструировании малогабаритной антенны для приема и передачи UWB (сверхширокополосных) сигналов радиосистем различного назначения.

Известна антенна с бегущей квазипоперечной волной ТЕМ-рупор, эффективно работающая с UWB сигналами (Theodorov E.A. et al. IEE Proc., 1981, v.128, №3) [1]. Антенна представляет собой две расходящиеся пластины с постоянным отношением ширины пластин к расстоянию между ними. Пластины выполнены проводящими, и на них нанесено неравномерно распределенное резистивное покрытие. Основным недостатком этой антенны являются сложность выполнения резистивного покрытия, значительные потери мощности, большие геометрические размеры, направленный прием (излучение) UWB сигналов.

Известна также антенна, сформированная из проводников, расположенных в одной плоскости и выполненных в виде двузаходной спирали, нагруженной на дипольные элементы (патент США №3820117, 25/06/74) [2]. Антенна, выполненная в такой конфигурации, является плоской и более широкодиапазонной по сравнению с другими типами антенн. Основным недостатком этой конструкции являются большие геометрические размеры и значительная фазовая дисперсия, приводящая к искажениям UWB сигналов.

Наиболее близким техническим решением по конструктивному исполнению является антенна, содержащая спираль, выполненную двузаходной со встречным направлением витков, расположенных в одной плоскости, причем внутренние концы витков служат точками возбуждения антенны, и два антенных элемента, подсоединенных к внешним концам витков и расположенных в плоскости спирали (патент РФ №2163739) [3].

По конструктивному исполнению спираль выполнена прямоугольной, к концам витков спирали подсоединены антенные элементы в форме равнобочных трапеций, а основания этих равнобочных трапеций расположены параллельно отрезкам линий двузаходной спирали.

Недостатком прототипа является эффективная работа только с узкополосными сигналами и невозможность функционирования с UWB сигналами из-за сильной фазовой дисперсии.

Решаемая изобретением задача заключается в расширении функциональных возможностей, улучшении технико-эксплуатационных характеристик и расширении арсенала используемых технических средств.

Техническим результатом, который может быть получен при выполнении заявленной антенны, является обеспечение эффективного излучения и приема UWB сигналов.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной антенне, содержащей спираль, выполненную двузаходной со встречным направлением витков, расположенных в одной плоскости, причем внутренние концы витков служат точками возбуждения антенны, и два антенных элемента, подсоединенных к внешним концам витков и расположенных в плоскости спирали, при этом текущий радиус каждого из витков спирали определяется в соответствии с математическим выражением

где r(ϕ) - текущий радиус витка,

А - радиус спирали,

В - угол разворота спирали,

С - расстояние между внутренними концами витков,

ϕ - текущий угол спирального элемента,

π=3.14,

е^-ϕ - экспонента,

каждый из антенных элементов выполняют в виде гребенчатой структуры с плавно закругленными вершинами гребней и с плавно закругленными впадинами между гребнями, причем вершины гребней одного из антенных элементов направлены в противоположную сторону относительно направления вершин гребней другого антенного элемента, а основания гребней каждого из антенных элементов объединены, витки спирали соответственно подсоединены в месте основания гребней антенного элемента.

Возможны дополнительные варианты конструктивного выполнения антенны, в которых предпочтительно предусмотреть, чтобы:

- витки спирали соответственно были подсоединены в месте основания гребней антенного элемента посредством плавного перехода, выполненного за счет увеличения ширины внешнего конца витка;

- количество гребней каждого из антенных элементов было выбрано в диапазоне от 2 до 7;

- основания гребней каждого из антенных элементов были объединены, образуя прямую линию, на которой расположены основания гребней, причем прямая линия для одного из антенных элементов должна быть параллельна относительно прямой линии, образуемой основаниями гребней другого антенного элемента.

Таким образом, предлагается компактная конструкция плоской антенны, содержащей двузаходный спиральный элемент, сформированный в соответствии с вышеуказанными требованиями, проводники которого переходят в плоскую гребенчатую структуру.

Компактная конструкция и малые габариты, всенаправленность в одной плоскости, а также эффективная работа с UWB сигналами позволяют использовать данное устройство в качестве малогабаритной антенны для приема и передачи UWB сигналов радиосистем различного назначения.

При этом отличительным признаком предлагаемой конструкции является то, что антенна обеспечивает расширение рабочего диапазона частот с сохранением линейности фазочастотной характеристики, улучшение качества согласования, эффективную работу с UWB сигналами.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются описанием предпочтительного варианта его выполнения со ссылками на чертежи.

Фиг.1 изображает общий вид заявленной антенны.

Фиг.2 отражает результаты экспериментального исследования частотной зависимости KCB (VSWR) предлагаемой антенны на выходе симметрирующего устройства с волновым сопротивлением W=50 Ом.

Фиг.3 отражает результаты экспериментального исследования фазовой характеристики антенны.

Фиг.4 - показан сигнал с UWB генератора, где масштаб по амплитуде 10 В на клетку, по длительности 200 пс на клетку.

Фиг.5 - результат экспериментального исследования антенны по приему и передаче UWB сигнала на расстоянии 6 метров, где масштаб по амплитуде 50 мВ на клетку, по длительности 1 нс на клетку.

Антенна (Фиг.1) содержит спираль 1. Спираль 1 выполнена двузаходной со встречным направлением витков. Витки спирали 1 расположены в одной плоскости. Внутренние концы витков спирали 1 служат точками возбуждения антенны. Два антенных элемента 2 подсоединены к внешним концам витков и расположены в плоскости спирали 1. Текущий радиус каждого из витков спирали 1 определяется в соответствии с математическим выражением:

где r(ϕ) - текущий радиус витка,

А - радиус спирали,

В - угол разворота спирали,

С - расстояние между внутренними концами витков,

ϕ - текущий угол спирального элемента,

π=3.14,

е^-ϕ - экспонента,

Каждый из антенных элементов 2 выполнен в виде гребенчатой структуры с закругленными вершинами гребней и закругленными впадинами между гребнями. Вершины гребней первого из антенных элементов 2 направлены в противоположную сторону относительно направления вершин гребней другого антенного элемента 2. Основания гребней каждого из антенных элементов 2 электрически объединены между собой, например, в виде пластины прямоугольной формы с соответствующими вырезами закругленных впадин гребней, выполненными с одной из ее сторон. Витки спирали 1 соответственно подсоединены в месте основания гребней антенного элемента 2.

Витки спирали 1 соответственно подсоединены в месте основания гребней антенного элемента 2 посредством скругленного перехода 3, выполненного за счет увеличения ширины внешнего конца витка (Фиг.1).

Обращенные друг к другу стороны смежных гребней антенного элемента 2 могут быть расположены наклонно. Кроме того, гребни антенного элемента 2 могут иметь форму лепестков (Фиг.1).

Количество гребней каждого из антенных элементов 2 выбрано в пределах от двух до семи, так чтобы число вырезов между гребнями не превышало шести.

Основания гребней каждого из антенных элементов 2 объединены, образуя прямую линию, на которой расположены основания гребней. Прямая линия для одного из антенных элементов 2 параллельна относительно прямой линии для другого антенного элемента 2. Хотя конструкция не исключает и расположения оснований гребней для каждого из антенных элементов 2 на симметричных относительно точек возбуждения антенны кривых линиях, например, выпуклых или вогнутых в наружные стороны.

Предлагаемая антенна (Фиг.1) работает следующим образом. На низких частотах спираль 1 функционирует как двупроводная линия передачи, которая при помощи скругленного перехода 3 соединяется с излучающей гребенчатой структурой 2. Скругленный переход 3 позволяет улучшить согласование сопротивления спирали 1 с антенным элементом 2. На средних и высоких частотах излучателем становится спираль 1. Упрощение всей конструкции и уменьшение ее габаритов достигается за счет выполнения устройства плоскостным, при котором все его отдельные элементы расположены в одной плоскости. Такое устройство легко реализовать конструктивно и технологически в микрополосковом исполнении.

Антенный элемент 2, выполненный в форме гребенчатой структуры, имеет линейную фазочастотную характеристику. За счет выполнения двузаходного спирального элемента в соответствии с предложенными требованиями его резонансные частоты ω_n подчиняются закону арифметической прогрессии ω_n=ω₁-δ(n-1), где n=1, 2, 3, ..., δ - шаг прогрессии. При таком построении изменение частоты на δ приводит к изменению фазы на 2π, следовательно, фазочастотная характеристика становится линейной Таким образом, предлагаемая антенна имеет линейную фазочастотную характеристику (Фиг.3) и постоянный коэффициент усиления в эффективной полосе частот UWB сигнала. При этом излученное поле не повторяет формы напряжения выходного сигнала с UWB генератора (Фиг.4), а изменяется как его вторая производная (Фиг.5), что хорошо согласуется с теоретическими и практическими результатами.

Спираль 1 выполнена из ленточных проводников, расположенных в одной плоскости, в виде двузаходной спирали. Витки двузаходной спирали направлены встречно. Максимальный диаметр спирального элемента выбирается равным D_max=0.45ct_и, где c=3·10⁸ м/с - скорость света, t_и - длительность UWB импульса на половинном уровне.

Плоские гребенчатые структуры (Фиг.1) антенных элементов 2 выполнены из проводящей пластины. Ширина плоской гребенчатой структуры выбирается равной H=D_max, а ее длина L=0.39ct_и, где D_max - максимальный диаметр спирального элемента, с=3·10⁸ м/с - скорость света, t_и - длительность UWB импульса на половинном уровне.

Наиболее успешно заявленная антенна может применяться в радиотехнических системах приема-передачи UWB сигналов различного назначения.

Изобретение может быть использовано при конструировании малогабаритной антенны для приема и передачи UWB (сверхширокополосных) сигналов радиосистем различного назначения. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и улучшении технико-эксплуатационных характеристик. Сущность изобретения состоит в том, что антенна содержит спираль, выполненную двузаходной со встречным направлением витков, расположенных в одной плоскости, причем внутренние концы витков служат точками возбуждения антенны, и два антенных элемента, подсоединенных к внешним концам витков и расположенных в плоскости спирали, текущий радиус каждого из витков спирали определен в соответствии с приведенным в формуле математическим выражением. При этом каждый из антенных элементов выполнен в виде гребенчатой структуры с закругленными вершинами гребней и закругленными впадинами между гребнями, причем вершины гребней одного из антенных элементов направлены в противоположную сторону относительно направления вершин гребней другого антенного элемента, а основания гребней каждого из антенных элементов объединены, витки спирали соответственно подсоединены к основанию гребней антенного элемента. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Антенна, содержащая спираль, выполненную двузаходной со встречным направлением витков, расположенных в одной плоскости, причем внутренние концы витков служат точками возбуждения антенны, и два антенных элемента, подсоединенных к внешним концам витков и расположенных в плоскости спирали, отличающаяся тем, что текущий радиус каждого из витков спирали определяется в соответствии с математическим выражением:

,

где r(ϕ) - текущий радиус витка;

А - радиус спирали;

В - угол разворота спирали;

С - расстояние между внутренними концами витков;

ϕ - текущий угол спирального элемента;

π=3,14,

е^-ϕ - экспонента,

каждый из антенных элементов выполнен в виде гребенчатой структуры с закругленными вершинами гребней и закругленными впадинами между гребнями, причем вершины гребней одного из антенных элементов направлены в противоположную сторону относительно направления вершин гребней другого антенного элемента, а основания гребней каждого из антенных элементов объединены, витки спирали соответственно подсоединены к основанию крайнего гребня антенного элемента.