ПЕТЛЕВОЙ ДИПОЛЬ Российский патент 2010 года по МПК H01Q9/00 H01Q9/24 

Предлагаемое устройство относится к области антенной техники и может быть использовано в радиотехнических системах различного назначения как самостоятельный диполь, так и в качестве базового излучающего элемента при построении многодипольных антенных систем.

Актуальность разработки петлевых диполей обусловлена их широким использованием при формировании направленного излучения электромагнитной энергии в радиотехнических и телекоммуникационных системах. Для удовлетворения все возрастающих требований к габаритно-массовым показателям дипольных антенн необходимо всемерно сокращать размеры их излучающей части. При этом необходимо соблюдать конструкторско-технологические ограничения, действующие на предприятиях радиопромышленности.

Известен петлевой диполь, описанный в АС СССР № 52669, опубликованном 28 февраля 1938 года (в тексте этого АС использовался устаревший термин «петлеобразный»). Этот диполь содержит два параллельных провода, соединенных между собой по концам непосредственно или посредством концевых сопротивлений. Каждый провод разомкнут посередине и в разрыв одного провода включен передатчик или приемник, а в разрыв другого - продольное сопротивление. Все сопротивления имеют в общем случае комплексный характер, в том числе они могут быть пренебрежимо малы (это соответствует случаю непосредственного соединения). Длина обоих проводов может выбираться в широких пределах. Однако наибольшее, если не повсеместное, применение нашел петлевой диполь с длиной проводов l, равной половине центральной длины волны λ_C рабочего диапазона частот f_L…f_R c центральной частотой f_C=3·10⁸/λ_c (f_L/f_C<f_R):

Именно это обстоятельство в ряде случаев приводит к неприемлемым продольным размерам петлевого диполя, так как нанесение любых диэлектрических покрытий на провода не дает эффекта увеличения электрической длины открытых излучающих проводов в раз по сравнению с их геометрической длиной, как это имеет место в закрытых (экранированных) коаксиальных или полосковых передающих линиях, заполненных высокодобротным диэлектрическим материалом с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r.

Таким образом, описанный петлевой диполь, характеризующийся длиной проводов l, равной λ_C/2, имеет в ряде случаев неприемлемый продольный размер, что весьма ощутимо ограничивает сферу его использования в антенной технике.

Известен также петлевой диполь, описанный в патенте США № 2283914, опубликованном 26 мая 1942 года. Этот диполь, как следует из фиг.1 описания упомянутого патента, содержит два параллельных провода, соединенных между собою по концам посредством коротких отрезков проводов того же диаметра. Один из проводов разомкнут посередине и в разрыв включена симметричная (балансная) двухпроводная линия для подвода высокочастотной энергии передатчика или отвода принятого высокочастотного сигнала ко входу приемника. Описанный диполь может применяться как самостоятельно, так и в качестве базового излучающего элемента более сложных антенн. При этом длина l обоих проводов выбирается в широких пределах, но минимальное ее значение равно λ_C/2.

Таким образом, и этот петлевой диполь имеет в ряде случаев неприемлемый продольный размер, что заметно ограничивает сферу его использования в антенной технике.

Характеризуя последующие работы по петлевым диполям, можно отметить, что за время, прошедшее с моментов опубликования описаний вышеупомянутых петлевых диполей (в СССР - 28 февраля 1938 года, в США - 26 мая 1942 года; то есть за 70-летний период), вышли в свет сотни книг и тысячи статей, в которых было предложено и описано большое количество многодипольных антенн, использующих вышеупомянутые петлевые диполи. В результате можно констатировать, что все описанные в литературе одно- и многодипольные антенны будут иметь продольный размер одного из элементов - петлевого диполя, - равный половине центральной длины волны λ_C рабочего диапазона в свободном пространстве (вакууме). Именно это обстоятельство и является сдерживающим фактором в использовании петлевых диполей и более сложных антенн на их основе.

Прототипом предлагаемого изобретения является петлевой диполь, описанный в упомянутом первым АС СССР № 52669. Как уже отмечалось, этот петлевой диполь имеет одинаковую длину l обоих проводов, равную половине средней длины волны λ_C рабочего диапазона. При этом излучающие электромагнитную энергию в окружающее пространство провода не могут быть «свернуты в меандр», как это часто делается с целью сокращения продольных размеров полосковых/микрополосковых экранированных (то есть, заключенных в сплошной металлический корпус - закрытых) линий передачи. В результате не удается сократить продольный размер петлевого диполя известными на данный момент конструкторско-технологическими приемами.

Задачей предлагаемого изобретения является создание петлевого диполя, имеющего меньший продольный размер l при заданной центральной длине волны λ_C.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный петлевой диполь, содержащий два параллельных провода, соединенных между собой по концам непосредственно, при этом один из проводов разомкнут посередине и в образовавшийся разрыв включен передатчик или приемник, введен сплошной петлевой экранирующий проводник, заполненный диэлектриком, внутри которого расположены указанные провода.

На фиг.1 изображен предлагаемый петлевой диполь; на фиг.2 - частотная характеристика его комплексного входного сопротивления на диаграмме Смита; на фиг.3 - печатная версия заявляемого петлевого диполя на диэлектрике FR-4; на фиг.5 - расчетная и измеренная частотные характеристики комплексного входного сопротивления печатной версии петлевого диполя на диаграмме Смита.

Предлагаемый петлевой диполь (фиг.1) содержит два параллельных провода 1 и 2, расположенных после непосредственного соединения между собой по концам внутри заполненного диэлектриком сплошного изначально пустотелого петлевого экранирующего проводника 3. Провод 2 разомкнут посередине и в образовавшийся разрыв с полюсами 4 и 5 включен передатчик или приемник с симметричным (балансным) выходом или входом соответственно. Как правило, такое включение осуществляется с использованием экранированного симметричного (балансного) двухпроводного фидера 6 с волновым сопротивлением ρ_F.

Принцип действия заявляемого петлевого диполя состоит в следующем. Пусть к клеммам 4 и 5 петлевого диполя по фидеру 6 от симметричного (балансного) источника сигнала с вещественным внутренним сопротивлением R_S=ρ_F подводится гармонически изменяющееся во времени напряжение u(t)=U_maxcos(ωt+φ) с комплексной амплитудой где ω=2πf=2π·3·10⁸/λ - текущая круговая частота; f - текущая циклическая частота; λ - длина волны в вакууме. Под воздействием приложенного к клеммам 4 и 5 напряжения u(t) в непосредственно соединенных между собой по концам проводах 1 и 2 потечет гармонически изменяющийся во времени ток i(t)=I_maxcos(ωt+φ-ϕ_D) с комплексной амплитудой

здесь ϕ_D=arctg(X_D/R_D) - аргумент комплексного входного сопротивления Z_D=R_D+jX_D петлевого диполя, измеренного (рассчитанного) относительно клемм 4 и 5 (фиг.1) и учитывающего наличие заполненного диэлектриком сплошного петлевого экранирующего проводника 3. Протекающий по проводам 1 и 2 ток i(t) наводит на стенках сплошного экранирующего проводника 3 гармонически изменяющийся во времени электрический заряд, поверхностная плотность которого на наружной поверхности экранирующего проводника 3 зависит как от времени t, так и от продольной координаты х(-l/2≤х≤l/2). Поскольку изменение поверхностного заряда во времени равнозначно существованию на той же поверхности тока проводимости, то можно констатировать, что на наружной поверхности экранирующего проводника 3 протекает ток проводимости i_E(t), хотя к концам экранирующего проводника 3 источник сигнала не подключен. Именно этот ток i_E(t) будет создавать вокруг петлевого диполя электромагнитное излучение, интенсивность которого будет зависеть как от частоты f (длины волны λ), так и от текущих сферических координат точки наблюдения в окружающем диполь пространстве.

Очевидно, что когда при изменении частоты f встретится частота f^*, на которой реактивная составляющая XD (f=f^*) входного сопротивления Z_D петлевого диполя станет равной нулю, а вещественная составляющая R_D будет равна волновому сопротивлению ρ_F двухпроводного фидера 6

то именно на этой частоте f^* энергия, подводимая к клеммам 4 и 5 петлевого диполя, будет полностью излучаться петлевым диполем в окружающее пространство. При этом входной коэффициент отражения G на клеммах 4 и 5 петлевого диполя, определяемый как

будет равен нулю, а входной коэффициент K_cm.U стоячей волны напряжения, определяемый как

будет равен единице. При этом интенсивность излучения петлевого диполя как функция сферических угловых координат будет характеризоваться его пространственной диаграммой направленности.

Расчет входного сопротивления Z_D заявляемого петлевого диполя в полосе частот f_L…f_R с учетом эффекта излучения энергии в окружающее пространство с поверхности сплошного экранирующего проводника 3, заполненного диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью с ε_r, представляет собой весьма сложную электродинамическую задачу. Наибольшую трудность представляет задание в аналитической форме граничных условий на проводящих поверхностях металлических элементов петлевого диполя. И хотя этапы последующего анализа с использованием интегродифференциальных уравнений Максвелла общеизвестны, конкретные пошаговые процедуры не позволяют получить аналитические выражения для частотной зависимости комплексного входного сопротивления петлевого диполя Z_D(f)=R_D(f)+jx_D(f) в замкнутой форме, пригодные для последующего анализа.

По этой причине для расчета входного сопротивления Z_D петлевого диполя целесообразно применить одну из разработанных программ трехмерного электродинамического моделирования. Такие программные продукты показали свою высокую эффективность при решении задач излучения антенн, образованных произвольным сочетанием металлодиэлектрических структур с весьма сложными по форме поверхностями. Поэтому далее для анализа входного сопротивления и характеристик излучения заявляемого петлевого диполя используется весьма эффективный программный продукт "WIPL-D", свободно продающийся на рынке программного обеспечения в виде приложения (на компакт-диске) к работе: В.М.Kolundzja, J.S.Ognjanovic, and T.К.Sarkar, "WIPL-D: Microwave circuit and 3D EM simulation for RF and microwave applications. Software and User's manual", Norwood, MA: Artech House, 2005.

Первым был проанализирован петлевой диполь, выполненный из отрезка коаксиального кабеля РК-50-2-25-А в сплошной экранирующей оболочке - медной трубке с наружным диаметром 2,8 мм. Именно эта оболочка выполняет функцию сплошного экранирующего проводника 3 (фиг.1), заполненного диэлектриком. Для придания петлевому диполю требуемой формы (в виде «вытянутой» петли) отрезок кабеля соответствующей длины должным образом изгибается так, чтобы расстояние между осями параллельных проводов 1 и 2 составило 10…12 мм. Это расстояние удовлетворяет с одной стороны - требованию разноса излучающих параллельных проводников петлевого диполя на небольшую по сравнению с длиной волны величину, а с другой стороны - требованию соблюдения минимального радиуса изгиба сплошной медной трубки без ее разрушения в области изгиба на 360°. При этом в качестве проводов 1 и 2 выступает внутренний проводник (жила) коаксиального кабеля РК-50-2-25-А, расположенный в диэлектрике с ε_r=2,3…2,5. Результаты анализа входного сопротивления Z_D(f) этого петлевого диполя для размера l=100 мм представлены графически на диаграмме Смита (фиг.2, позиция 7). Они свидетельствуют о том, что при R_D=ρ_F=224 Ом заявляемый петлевой диполь весьма хорошо согласован (G≈0; K_cm.U≈1) с источником сигнала на частоте f^*=1,227 ГГц. Если бы на эту частоту проектировался петлевой диполь - прототип, то согласно формуле (1) его длина должна была бы составить:

Таким образом, результаты анализа свидетельствуют о том, что заявляемый петлевой диполь, выполненный из отрезка кабеля с жестким наружным проводником (оплеткой) на частоту f_C=f^*=1,227 ГГц, имеет размер l в 1,2 раза меньше, чем у прототипа.

Более существенное сокращение размеров возможно при использовании в качестве заполнения изначально пустотелого экранирующего проводника 3 диэлектрика с большим значением ε_r. Однако серийно выпускаемые коаксиальные кабели имеют диэлектрическое заполнение с ε_r порядка 2,5. Поэтому следует использовать листовые фольгированные диэлектрики и реализовать петлевой диполь в печатном исполнении, которое отвечает современным тенденциям в области проектирования малогабаритных дипольных антенн. В связи с этим был проанализирован печатный петлевой диполь, выполненный на двух диэлектрических заготовках G₁ (фиг.3, позиция 8) и G₂ (фиг.3, позиция 9) из материала FR-4 (ε_r=4.4; tgδ=0.018), толщиной Н=1 мм. Этот импортный двухсторонне фольгированный диэлектрик используется в ООО «Электроконнект» (630090, г.Новосибирск, ул. Инженерная, 4; www.pselectro.ru) при производстве печатных плат для изделий радиоэлектроники.

При сопоставлении анализируемой печатной версии петлевого диполя с фиг.1 можно отметить, что петлевой экранирующий проводник 3 реализуется двумя параллельными печатными петлевыми проводниками 10 и 11 (фиг.3). Для обеспечения эквипотенциальности поверхностей проводников 10 и 11 на каждой заготовке G₁ и G₂ предусмотрено по четыре сквозных металлизированных отверстия 12 диаметром 0,8 мм. Ширина W этих проводников равна 3 мм, а ширина w печатных проводников 13, расположенных под экранирующими проводниками 10 и 11, реализующих печатным способом петлевой экранирующий проводник 3 (фиг.1), составила 0,6 мм. При этом проводники 13 являются печатными аналогами параллельных проводов 1 и 2 (фиг.1) и располагаются над/под проводниками 10 и 11 симметрично так, что расстояние между их средними линиями равно 7 мм. После совмещения заготовок G₁ и G₂ (для ориентации один из углов заготовки скошен) и пайки сквозных металлизированных отверстий 12 формируется печатная версия заявляемого петлевого диполя.

Результаты анализа входного сопротивления Z_D для размера l=100 мм представлены на фиг.4 (позиция 14 - сплошная линия и затушеванные кружки), из чего следует, что при R_D=ρ_F=166 Ом предлагаемая печатная версия петлевого диполя идеально согласована с источником сигнала на частоте f^*=0,968 ГГц. Если бы на эту частоту реализовывался петлевой диполь-прототип, то он имел бы согласно (1) размер

Таким образом, результаты анализа как «кабельной», так и печатной версий предлагаемого петлевого диполя свидетельствуют о заметном снижении величины продольного размера l при одной и той же частоте f^*=f_C. Это позволяет рекомендовать предлагаемый петлевой диполь для использования в компактных антенных устройствах как печатного полоскового, так и объемного трубчатого исполнений. К тому же, предлагаемый петлевой диполь имеет меньшее значение вещественной составляющей R_D(f^*) входного сопротивления на резонансе по сравнению с классическим значением входного сопротивления петлевого диполя-прототипа, равным 4·73,1=292,4≈300 Ом. Это позволяет упростить исполнение согласующе-симметрирующего устройства при питании предлагаемого петлевого диполя коаксиальным кабелем (небалансной однопроводной экранированной линией передачи). Что касается диаграмм направленности и уровня кросс-поляризационного излучения, то, согласно результатам анализа программой "WIPL-D", эти характеристики предлагаемого петлевого диполя соответствуют тем же характеристикам петлевого диполя-прототипа. Иными словами, введение петлевого экранирующего проводника 3 (фиг.1), заполненного диэлектриком, не ухудшает поляризационные и направленные характеристики петлевого диполя.

Для экспериментального подтверждения работоспособности предлагаемого петлевого диполя была обследована печатная версия, изображенная на фиг.3. Входное сопротивление Z_D измерялось методом Татаринова (описанном, например, в работе: Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1981, стр.33-34) на установке с использованием клистронного генератора Г3-22, измерительной линии Р-122 и специально изготовленного симметрирующего устройства в печатном исполнении, легко сопрягаемом с предлагаемым петлевым диполем. Все приборы и узлы соединялись кабелем 75 Ом по блок-схеме, приведенной в работе: Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. - М.: Советское радио, 1974, стр.433, рис.XX.1.

Результаты экспериментальных исследований частотной характеристики комплексного входного сопротивления Z_D(f), представленные на диаграмме Смита (фиг.4, позиция 15 - светлые кружки), свидетельствуют об успешном решении поставленной задачи - реализации петлевого диполя с продольным размером l в полтора раза меньшим, чем у диполя-прототипа [см. формулу (6)], при одной и той же центральной длине волны λ_C, и о перспективности предлагаемого петлевого диполя для практического использования в дипольных антенных устройствах систем радиосвязи и телекоммуникаций.

Изобретение может быть использовано в радиотехнических системах различного назначения как самостоятельная антенна, так и в качестве базового излучающего элемента при построении многодипольных антенн. Техническим результатом изобретения является сокращение продольного размера диполя в 1,2…1,5 раза при заданной центральной длине волны рабочего диапазона частот. Согласно изобретению петлевой диполь содержит два параллельных провода, соединенных между собой по концам непосредственно. Один провод разомкнут посередине и в образовавшийся разрыв включен передатчик или приемник. Оба провода расположены в заполненном диэлектриком сплошном петлевом экранирующем проводнике. Для подключения передатчика или приемника к клеммам, образовавшимся после разрыва проводника посередине, используется симметричный (балансный) экранированный фидер. 4 ил.

Петлевой диполь для излучения электромагнитной энергии в окружающее свободное пространство, содержащий два параллельных провода, соединенных между собой по концам непосредственно, при этом один из проводов разомкнут посередине, и в образовавшийся разрыв включен передатчик или приемник, отличающийся тем, что в него введен сплошной петлевой экранирующий проводник, заполненный диэлектриком, внутри которого расположены провода.