АНТЕННА Российский патент 2012 года по МПК H01Q9/00 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к малогабаритным антеннам, и может найти применение для реализации сотовой связи, в портативных радиостанциях, в задачах электромагнитной совместимости, в задачах радиомониторинга.

Известна антенна (Typical SAS-2, CATALOG «A.R.A. Antenna Research», 1999, p.37), содержащая отрезок коаксиальной линии передачи, два металлических диска диаметром D1 и D2, соответственно, установленные параллельно между собой и расположенные на расстоянии один от другого, при этом первый металлический диск соединен по центру с центральным проводником, а второй металлический диск смещен от торца внешнего проводника отрезка коаксиальной линии передачи и соединен с ним гальванически, причем другой конец отрезка коаксиальной линии передачи является выходом антенны.

Недостатком данного технического решения является узкая полоса рабочих частот, большие продольные и поперечные размеры антенны.

Наиболее близким техническим решением-прототипом является полосковая антенна (Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986. Стр.89, рис.3.1.а), содержащая сигнальную металлическую пластину, выполненную в форме диска, расположенную над диэлектрической подложкой, которая установлена на металлический экран, параллельно металлической пластине. Сигнальная металлическая пластина в форме диска возбуждается центральным проводником отрезка коаксиальной линии, причем точка подключения центрального проводника отрезка коаксиальной линии смещена относительно центра диска, а внешний проводник отрезка коаксиальной линии подключен к металлическому экрану.

Недостатком данного технического решения является узкая полоса рабочих частот, кроме того, размеры диска сигнальной металлической пластины соизмеримы с длиной волны, что ограничивает частотный диапазон по габаритам, и продольные, и поперечные размеры металлического экрана значительно больше размеров диска сигнальной металлической пластины. Ось главного лепестка диаграммы направленности перпендикулярна плоскости диска металлической пластины.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание малогабаритной сверхширокополосной приемо-передающей антенны с изотропной диаграммой направленности.

Поставленная задача достигается тем, что в антенне, содержащей сигнальный металлический диск, расположенный на диэлектрической подложке, которая установлена на земляную металлическую пластину, параллельную сигнальному металлическому диску, и отрезок коаксиальной линии, согласно предложенному решению, в сигнальном металлическом диске выполнено круглое отверстие, диаметр которого больше диаметра внешнего проводника отрезка коаксиальной линии, и центром которого является центр сигнального металлического диска, а земляная металлическая пластина выполнена в виде металлического диска, при этом введены дополнительный земляной металлический диск и дополнительная диэлектрическая подложка, идентичные земляному металлическому диску и диэлектрической подложке, соответственно, причем дополнительная диэлектрическая подложка установлена на сигнальный металлический диск, а на нее установлен дополнительный земляной металлический диск, причем центры сигнального металлического диска, земляного металлического диска и дополнительного земляного металлического диска расположены на одной оси, перпендикулярной плоскости дисков, являющейся осью антенны, отрезок коаксиальной лини и расположен по центру земляного и дополнительного земляного металлических дисков, которые соединены с внешним проводником отрезка коаксиальной линии, а конец центрального проводника отрезка коаксиальной линии, расположенный в плоскости сигнального металлического диска, гальванически соединен с сигнальным металлическим диском, по меньшей мере, одним контактным элементом, который проходит через отверстие во внешнем проводнике отрезка коаксиальной линии.

Диаметры земляного металлического диска и дополнительного земляного металлического диска могут быть выполнены равными, большими или меньшими диаметра сигнального диска.

Два идентичных осесимметричных металлических рефлектора могут быть гальванически установлены на земляной металлический диск и дополнительный земляной металлический диск, при этом ось симметрии металлических рефлекторов совмещена с осью симметрии этих дисков.

Металлический рефлектор может быть выполнен

- в виде усеченного конуса, диаметр малого основания которого равен диаметру земляного металлического диска;

- в виде шарового слоя, диаметр малого основания которого равен диаметру земляного металлического диска.

Два идентичных осесимметричных металлических согласующих элемента могут быть гальванически установлены на сигнальный металлический диск с обеих его сторон, при этом ось симметрии металлических согласующих элементов совмещена с осью этого диска.

Металлический согласующий элемент может быть выполнен

- в виде усеченного конуса, диаметр меньшего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска;

- в виде усеченного конуса, диаметр большего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска;

- в виде шарового слоя, диаметр меньшего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска;

- в виде шарового слоя, диаметр большего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска.

Диэлектрическая подложка и дополнительная диэлектрическая подложка могут быть выполнены в форме диска, диаметр которого равен диаметру сигнального металлического диска или диаметру земляного металлического диска.

Величина относительной диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки может быть равна единице.

Земляной металлический диск и дополнительный земляной металлический диск, соединенные по центру с внешним проводником одного конца отрезка коаксиальной линии, находятся под одинаковым потенциалом, а сигнальный металлический диск, соединенный хотя бы одним контактным элементом с концом центрального проводника отрезка коаксиальной линии, расположенный симметрично между земляным металлическим диском и дополнительным земляным металлическим диском, находится под другим потенциалом. Сигнальный металлический диск возбуждает электромагнитное поле поперечной электромагнитный волны на земляных металлических дисках, которое и преобразуется в электромагнитное поле продольной электромагнитной волны, которая излучается в свободное пространство, формируя изотропную диаграмму направленности, подобную несимметричному вибратору.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - изображена конструкция антенны, выполненная с четырьмя контактными элементами, диаметр сигнального металлического диска которой меньше диаметра земляного металлического диска, а диаметры диэлектрической подложки и сигнального металлического диска одинаковы; на фиг.2 - сечение антенны (фиг.1) в плоскости, проходящей через продольную ось антенны (далее - продольное сечение антенны); на фиг.3 и 4 - продольное сечение антенны, выполненной с металлическими рефлекторами, в виде усеченного конуса и в виде шарового слоя, соответственно, диаметр малого основания которого равен диаметру земляного металлического диска антенны; на фиг.5 - продольное сечение антенны, диаметр сигнального металлического диска которой меньше диаметра земляного металлического диска, а диаметры диэлектрической подложки и земляного металлического диска одинаковы; на фиг.6 и 7 - продольное сечение антенны, выполненной с согласующими элементами в виде усеченного конуса и шарового слоя, соответственно, диаметр малого основания которого равен диаметру сигнального металлического диска антенны; на фиг.8 - продольное сечение антенны, выполненной с согласующими элементами в виде усеченного конуса, диаметр большего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска, диаметр сигнального металлического диска которой меньше диаметра земляного металлического диска, а диаметр диэлектрической подложки которой меньше диаметра сигнального металлического диска; на фиг.9 - продольное сечение антенны, диаметры сигнального, земляного металлических дисков и диэлектрической подложки которой одинаковы; на фиг.10 - продольное сечение антенны, выполненной с металлическими рефлекторами в виде усеченного конуса, диаметр малого основания которого равен диаметру земляного металлического диска, и с металлическими согласующими элементами в виде усеченного конуса, диаметр большего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска, диаметры сигнального и земляного металлических дисков антенны одинаковы, а диаметр диэлектрической подложки ее меньше диаметра земляного диска.

Антенна (фиг.1) содержит сигнальный металлический диск 1, расположенный на диэлектрической подложке 2, которая установлена на земляной металлический диск 3, и отрезок коаксиальной линии 4. В сигнальном металлическом диске 1 выполнено круглое отверстие 5, диаметром больше диаметра внешнего проводника 6 отрезка коаксиальной линии 4. На сигнальный металлический диск 1 установлена дополнительная диэлектрическая подложка 7, а на нее установлен дополнительный земляной металлический диск 8. Центры сигнального металлического диска 1, земляного и дополнительного земляного металлических дисков 3 и 8 расположены на одной оси, перпендикулярно плоскости этих дисков, являющейся осью антенны. Конец центрального проводника 9 отрезка коаксиальной линии 4 гальванически соединен четырьмя контактными элементами 10, проходящими через отверстия 11 во внешнем проводнике 6 отрезка коаксиальной линии 4. Два идентичных осесимметричных металлических рефлектора 12 (фиг.3, 4, 10), выполненные в виде усеченного конуса или в виде шарового слоя, гальванически установлены на поверхности земляного металлического диска 3 и дополнительного земляного металлического диска 8. Металлические согласующие элементы 13 (фиг.6, 7, 10), выполненные в виде усеченного конуса или в виде шарового слоя гальванически, установлены на одну и другую поверхности сигнального металлического диска 1. Аналитически усеченный конус и шаровой слой описаны (И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике. М.: Наука, 1967, стр.176-177).

Антенна в режиме передачи работает следующим образом.

Высокочастотной электромагнитной энергией антенна запитывается через отрезок коаксиальной линии 4. По центральному проводнику 9 отрезка коаксиальной линии 4 высокочастотный электрический ток через контактный элемент 10 запитывает сигнальный металлический диск 1, а внешний проводник 6 отрезка коаксиальной линии 4 проводит высокочастотный электрический ток, противофазный электрическому току центрального проводника 9, и синфазно запитывает по центру земляной металлический диск 3 и дополнительный земляной металлический диск 8.

Таким образом, сигнальный металлический диск 1 возбуждает электромагнитные волны в области земляного металлического диска 3 и дополнительного земляного металлического диска 8 и, соответственно, поверхностные токи проводимости. Возбуждаемый поверхностный ток проводимости на поверхности каждого из земляных металлических дисков 3 и 8 порождает вектор электрического поля Е, который характеризуется двумя составляющими электрического поля и E_⊥. Первая из них параллельна продольной оси антенны, а вторая ортогональна продольной оси антенны. В силу симметрии, составляющие электрического поля ориентированы одинаково и, соответственно, суммируются в зазоре, а составляющие электрического поля Е_⊥ ориентированы встречно и, соответственно, взаимно компенсируются в зазоре. В результате суммирования всех составляющих электрического поля на земляных металлических дисках 3 и 8, в зазоре происходит формирование и излучение электромагнитной волны, излучаемой в свободное пространство.

Аналогичным образом антенна работает на прием электромагнитной волны.

Диаметр металлических дисков выбирается много меньше длины волны, что определяет излучающие свойства антенны и обеспечивает сверхширокополосность при малых габаритах, а круговое магнитное поле формирует изотропную диаграмму направленности.

Использование металлических рефлекторов 12 и металлических согласующих элементов 13 позволяет улучшить согласование и расширить диапазон рабочих частот.

Оптимальный выбор диаметров сигнального металлического диска, земляного и дополнительного земляного металлических дисков, диаметра и диэлектрической проницаемости диэлектрической и дополнительной диэлектрической подложек, диаметров и форм металлических рефлекторов и металлических согласующих элементов позволяет создавать конструкции антенн на заданные электрические характеристики в широком частотном диапазоне.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к малогабаритным антеннам, и может найти применение для реализации сотовой связи, в портативных радиостанциях, в задачах электромагнитной совместимости, в задачах радиомониторинга. Техническим результатом является создание малогабаритной сверхширокополосной приемопередающей антенны с изотропной диаграммой направленности. Антенна содержит сигнальный металлический диск (СМД), с расположенными на нем с одной и другой стороны диэлектрической и дополнительной диэлектрической подложками, на которые установлены земляной (З) и дополнительный земляной металлические диски (ЗМД), соответственно, и отрезок коаксиальной линии. Центры СМД, земляного и дополнительного ЗМД расположены на одной оси, перпендикулярно плоскости этих дисков. Отрезок коаксиальной линии расположен по центру З и дополнительного ЗМД, которые соединены с внешним проводником отрезка коаксиальной линии, а конец центрального проводника отрезка коаксиальной линии гальванически соединен с СМД хотя бы одним контактным элементом, проходящим через отверстие во внешнем проводнике отрезка коаксиальной линии. Два идентичных осесимметричных металлических рефлектора и два металлических согласующих элемента, выполненные в виде усеченного конуса или в виде шарового слоя, гальванически установлены на поверхности земляного и дополнительного ЗМД и на обе поверхности СМД, соответственно. 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Антенна, содержащая сигнальный металлический диск, расположенный на диэлектрической подложке, которая установлена на земляную металлическую пластину, параллельную сигнальному металлическому диску, и отрезок коаксиальной линии, отличающаяся тем, что в сигнальном металлическом диске выполнено круглое отверстие, диаметр которого больше диаметра внешнего проводника отрезка коаксиальной линии, и центром которого является центр сигнального металлического диска, а земляная металлическая пластина выполнена в виде металлического диска, при этом введены дополнительный земляной металлический диск и дополнительная диэлектрическая подложка, идентичные земляному металлическому диску и диэлектрической подложке соответственно, причем дополнительная диэлектрическая подложка установлена на сигнальный металлический диск, а на нее установлен дополнительный земляной металлический диск, причем центры сигнального металлического диска, земляного металлического диска и дополнительного земляного металлического диска расположены на одной оси, перпендикулярной плоскости дисков, являющейся осью антенны, отрезок коаксиальной линии расположен по центру земляного и дополнительного земляного металлических дисков, которые соединены с внешним проводником отрезка коаксиальной линии, а конец центрального проводника отрезка коаксиальной линии, расположенный в плоскости сигнального металлического диска, гальванически соединен с сигнальным металлическим диском, по меньшей мере, одним контактным элементом, проходящим через отверстие во внешнем проводнике отрезка коаксиальной линии.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что диаметры земляного и дополнительного земляного металлических дисков равны, или больше, или меньше диаметра сигнального диска.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что введено два идентичных осесимметричных металлических рефлектора, которые гальванически установлены на земляной металлический диск и дополнительный земляной металлический диск, при этом ось симметрии металлического рефлектора совмещена с осью симметрии этих дисков.

4. Антенна по п.3, отличающаяся тем, что металлический рефлектор выполнен в виде металлического усеченного конуса, диаметр малого основания которого равен диаметру земляного металлического диска.

5. Антенна по п.3, отличающаяся тем, что металлический рефлектор выполнен в виде металлического шарового слоя, диаметр малого основания которого равен диаметру земляного металлического диска.

6. Антенна по п.1 или 3, отличающаяся тем, что введены два идентичных осесимметричных металлических согласующих элемента, которые гальванически установлены на сигнальный металлический диск с обеих его сторон, при этом ось симметрии металлических согласующих элементов совмещена с осью этого диска.

7. Антенна по п.6, отличающаяся тем, что согласующий элемент выполнен в виде металлического усеченного конуса, диаметр меньшего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска.

8. Антенна по п.6, отличающаяся тем, что согласующий элемент выполнен в виде металлического усеченного конуса, диаметр большего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска.

9. Антенна по п.6, отличающаяся тем, что согласующий элемент выполнен в виде металлического шарового слоя, диаметр меньшего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска.

10. Антенна по п.6, отличающаяся тем, что согласующий элемент выполнен в виде металлического шарового слоя, диаметр большего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска.

11. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка и дополнительная диэлектрическая подложка выполнены в форме диска, диаметр которого равен диаметру сигнального металлического диска.

12. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка и дополнительная диэлектрическая подложки выполнены в форме диска, диаметр которого равен диаметру диска земляного металлического диска.

13. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка может быть выполнена с величиной относительной диэлектрической проницаемости, равной единице.