КОЛЬЦЕВАЯ РЕЗОНАНСНАЯ МАЛОГАБАРИТНАЯ АНТЕННА КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ Российский патент 2020 года по МПК H01Q21/26 

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в качестве приемной/передающей антенны с круговой поляризацией в УКВ-диапазоне, в том числе на космических аппаратах; в качестве элемента антенной решетки; в качестве облучателя зеркально-параболической антенны.

Известна турникетная малогабаритная антенна на полусфере [1] наиболее близкая по своей технической сущности и числу существенных признаков к патентуемому изобретению, которая выбрана в качестве прототипа.

Известная антенна состоит из двух ортогональных вибраторов, расположенных на каркасе в виде тонкостенной диэлектрической полусферы, установленной на экране, коаксиальных кабелей и квадратурного моста. Плечи вибраторов в виде металлических полос укладывают на поверхность тонкостенной диэлектрической полусферы от ее вершины до металлического экрана. Металлическую полосу каждого плеча вибратора ограничивают на поверхности диэлектрической полусферы двумя кривыми линиями, которые являются проекциями архимедовых спиралей, сформированных в плоскости металлического экрана относительно его центра, на поверхность тонкостенной диэлектрической полусферы. С целью формирования круговой поляризации излучаемого электромагнитного поля вибраторы с помощью размещенного под металлическим экраном квадратурного моста и коаксиальных кабелей возбуждают одинаковыми по амплитуде и сдвинутыми по фазе на 90 градусов токами. Антенну согласуют подбором радиуса полусферы и положения щели, прорезанной в каждом из плеч вибраторов. При высоте турникетной малогабаритной антенны на полусфере над металлическим экраном равной 0.15λ ее диаграмма направленности имеет одинаковую ширину по половинной мощности в Е- и Н-плоскостях и обеспечивает излучение поля круговой поляризации с коэффициентом эллиптичности более 0.85 в телесном угле 100 градусов.

Недостатком прототипа являются технологические сложности изготовления тонкостенной диэлектрической полусферы и нанесения на нее металлических полос плеч вибраторов.

Патентуемое изобретение - кольцевая резонансная малогабаритная антенна круговой поляризации решает задачу создания компактной антенны круговой поляризации простой в изготовлении, малой электрической высотой над металлическим экраном и высоким уровнем согласования.

Технический результат, который достигается патентуемым изобретением, - патентуемое изобретение обеспечивает создание простой в изготовлении резонансной кольцевой антенны, обладающей минимальной электрической высотой (0.13λ), коэффициентом эллиптичности более 0,8 в пределах ширины диаграммы направленности по половинной мощности и высоким уровнем согласования (КСВ≤2.0 в полосе 3%).

Сущность патентуемого изобретения поясняется описанием и рисунками, на которых представлены:

Фиг. 1. Кольцевая резонансная малогабаритная антенна круговой поляризации;

Фиг. 2. Взаимное положение металлического цилиндра и металлической накладки, вид сверху.

Фиг. 3. Металлический цилиндр с кольцевой накладкой, возбуждающими щелями и симметрирующими окнами.

Фиг. 4. Диаграмма направленности.

Фиг. 5. График зависимости величины КСВ от частоты.

Фиг. 6. Коэффициент эллиптичности.

На фиг. 1, 2, 3 введены следующие обозначения:

1 - металлический цилиндр, 2 - кольцевая металлическая накладка, 3 - плоский металлический экран, 4 - диэлектрическая стойка, 5₁, 5₂ - коаксиальные кабели, 6₁, 6₂ - возбуждающие щели, 7₁, 7₂ - симметрирующие окна, 8 - квадратурный мост, D₁ - внутренний диаметр металлического цилиндра 1, D₂ - внешний диаметр металлического цилиндра 1, d₁ - внутренний диаметр кольцевой металлической накладки 2, d₂ - внешний диаметр кольцевой металлической накладки 2, w - ширина возбуждающих щелей 6₁, 6₂, h - глубина возбуждающей щели 6₁, 6₂, t₁ - толщина стенки металлического цилиндра 1, t₂ - толщина кольцевой металлической накладки 2, H₁ - высота металлического цилиндра 1, H₂ - высота диэлектрической стойки 4, g - ширина симметрирующего окна 7₁, 7₂, b - высота симметрирующего окна 7₁, 7₂, p=(2g+2b) - периметр симметрирующего окна 7₁, 7₂. d₃ - диаметр диэлектрической стойки 4.

Патентуемое изобретение - кольцевая резонансная малогабаритная антенна круговой поляризации, как показано на фиг. 1 содержит металлический цилиндр 1, кольцевую металлическую накладку 2, плоский металлический экран 3, диэлектрические стойки 4, коаксиальные кабели 5₁, 5₂ и квадратурный мост 8.

Для решения поставленной технической задачи используют металлический цилиндр 1 с внутренним диаметром D₁, внешним диаметром D₂ и высотой H₁, кольцевую металлическую накладку 2 с внутренним диаметром d₁, внешним диаметром d₂ и толщиной t₂, четыре диэлектрические стойки 4 с высотой H₂ и диаметром d₃ и плоский металлический экран 3 с диаметром 3λ, где λ - рабочая длина волны (см. фиг. 2, фиг. 3). Тонкостенный металлический цилиндр 1 устанавливают на металлическом экране 3 и его основание электрически соединяют с плоским металлическим экраном 3. Кольцевую металлическую накладку 2 устанавливают на плоском металлическом экране 3 на четырех диэлектрических стойках 4. Тонкостенный металлический цилиндр 1, плоский металлический экран 3 и кольцевая металлическая накладка 2 расположены соосно.

Возбуждение кольцевой резонансной малогабаритной антенны осуществляют с помощью двух возбуждающих щелей 6₁ и 6₂, прорезанных в торце металлического цилиндра 1 шириной w и глубиной h, которые соосно соединены с прорезанными в боковой поверхности металлического цилиндра 1 окнами 7₁ и 7₂ шириной g и высотой b. Размещают первый вход 6₁ и второй вход 6₂ на металлическом цилиндре 1 таким образом (см. фиг. 3), чтобы угол между радиусами, соединяющими ось металлического цилиндра 1 с осями щелей входов 6₁ и 6₂ был равен 90 градусов.

Каждую возбуждающую щель прямоугольного сечения 6₁ и 6₂ соединяют соответственно с симметрирующими окнами 7₁ и 7₂ прямоугольного сечения шириной g и высотой b. Коаксиальные кабели 5₁ и 5₂ подсоединяют к щелям 6₁ и 6₂, как показано на фиг. 1, оплетку кабеля к одной кромке соответствующей щели, а внутреннюю жилу - к другой, пропускают через технологические отверстия в металлическом экране 3, подключают к соответствующим входам квадратурного моста 8, размещенного под металлическим экраном 3, для получения двух одинаковых по амплитуде и сдвинутые по фазе на 90 градусов сигналов.

Подбором параметров кольцевой резонансной малогабаритной антенны: H₁ - высоты металлического цилиндра 1, D₁ - внутреннего диаметра металлического цилиндра 1, d₁ - внутреннего диаметра кольцевой металлической накладки 2, d₂ - внешнего диаметра кольцевой металлической накладки 2, Н₂ - высоты диэлектрических стоек 4, g - ширины симметрирующих окон 7₁ и 7₂, b - высоты симметрирующих окон 7₁ и 7₂, обеспечивают создание антенны с минимальной электрической высотой над плоским металлическим экраном 3, с круговой поляризацией излучаемого поля и высоким уровнем согласования.

Математическое моделирование, проведенное для рабочего диапазона частот 2290±20 МГц, показало, что оптимальные результаты достигают при следующих параметрах кольцевой резонансной малогабаритной антенны: H₁=0,107λ, D₁=0,29λ, d₁=0,294λ, d₂=0,340λ, H₂=0,12λ, g=0,046λ, b=0,027λ, p=0,145λ и w=2 мм, h=3 мм, t₁=1 мм, t₂=1 мм, d₃=2 мм, D₂=(D₁+2) мм. При этом высота антенны над экраном равна 0.13λ, диаграмма направленности осесимметрична, согласована с 50-омным кабелем (КСВ≤2), коэффициент эллиптичности больше 0.8 в пределах ширины ДН по половинной мощности.

Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков, патентуемое изобретение обеспечило требуемый технический результат - создание простой в изготовлении и механически прочной кольцевой резонансной малогабаритной антенны, обладающей минимальной электрической высотой (0.13λ), коэффициентом эллиптичности более 0.8 в пределах ширины диаграммы направленности по половинной мощности и высоким уровнем согласования (КСВ≤2.0 в полосе 3%).

Литература.

1. Патент №2624596, класс H01Q 21/26 04.07.2017. К.К. Белостоцкая, И.В. Белькович, Р.С. Калёнов. Турникетная малогабаритная антенна на полусфере.

2. Рамо С. и Уиннери Дж. Поля и волны в современной радиотехнике, М. и Л., Гостехиздат, 1948, 631 с.

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в качестве приемной/передающей антенны с круговой поляризацией в УКВ-диапазоне, в том числе в качестве антенн космических аппаратов, в качестве элемента антенной решетки, в качестве облучателя зеркально-параболической антенны. Антенна состоит из металлической накладки, установленной над торцом металлического тонкостенного цилиндра, в стенках которого прорезаются возбуждающие щели и симметрирующие окна. Антенна согласуется в двух точках возбуждения путем подбора диаметра цилиндра, кольцевой насадки и размеров симметрирующих окон. Технический результат, который достигается патентуемым изобретением, - создание простой в изготовлении резонансной кольцевой антенны, обладающей минимальной электрической высотой (0,13λ), коэффициентом эллиптичности более 0,8 в пределах ширины диаграммы направленности по половинной мощности и высоким уровнем согласования (КСВ≤2.0 в полосе 3%). 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Кольцевая резонансная малогабаритная антенна круговой поляризации, содержащая плоский металлический экран, на котором размещены элементы антенны, и квадратурный мост, на выходе которого формируют два сигнала со сдвигом фаз в 90 градусов, отличающаяся тем, что на плоском металлическом экране диаметром D₃≥3λ, где λ - центральная длина волны рабочего диапазона волн, установлены металлический цилиндр с внутренним диаметром D₁, внешним диаметром D₂ и высотой H₁ и кольцевая металлическая накладка с внутренним диаметром d₁, внешним диаметром d₂ и толщиной t, металлический цилиндр, кольцевая металлическая накладка и плоский металлический экран расположены соосно, при этом металлический цилиндр устанавливают на плоском металлическом экране, электрически соединяя по периметру его основание с плоским металлическим экраном, кольцевую металлическую накладку устанавливают на плоском металлическом экране на четырех диэлектрических стойках высотой Н₂, прорезанные в торце металлического цилиндра возбуждающие щели шириной w и глубиной h, которые соосно соединены с прорезанными в боковой поверхности металлического цилиндра симметрирующими окнами шириной g и высотой b, расположенные таким образом, чтобы угол между радиусами, соединяющими ось металлического цилиндра с осями щелей входов, был равен 90 градусов, сигналы на возбуждающие щели подают с квадратурного моста с помощью коаксиальных кабелей.

2. Кольцевая резонансная малогабаритная антенна круговой поляризации по п. 1, отличающаяся тем, что H₁ - высоту металлического цилиндра, D₁ - внутренний диаметр металлического цилиндра, D₂ - внешний диаметр металлического цилиндра, d₁ - внутренний диаметр кольцевой металлической накладки, d₂ - внешний диаметр кольцевой металлической накладки, t - толщину кольцевой металлической накладки, Н₂ - высоту диэлектрических стоек, w - ширину щелей щелевого первого входа и второго входа, h - глубину щелей первого входа и второго входа, g - ширину окон, b - высоту окон, d₃ - диаметр диэлектрических стоек выбирают из условий: H₁=0,107λ, D₁=0,29λ, D₂=(D₁+2)мм, d₁=0,294λ, d₂=0,34λ, t=1 мм, H₂=0,12λ, w=2 мм, h=3 мм, g=0,046λ, b=0,0267λ.