Малогабаритная рамочная антенна Российский патент 2022 года по МПК H01Q9/04 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве бортовой антенны приема сигналов радиомаячной угломерной системы ближней навигации самолета.

Рамочные антенны (РА) широко известны в антенной технике. Различные их варианты используются в системах радионавигации, связи, устройствах управления и т.д. Основным излучающим элементом РА является металлическая рамка, в которой при помощи специального согласующего устройства возбуждаются электрические колебания. В силу того, что размеры рамки, как правило, малы по сравнению с длиной волны, она создает в пространстве излучение с диаграммой направленности (ДН), близкой к круговой (Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высш. Шк., 1988).

При ориентации плоскости рамки параллельно поверхности Земли РА принимает и излучает волны горизонтальной поляризации, то есть РА выполняет функцию антенны горизонтальной поляризации с однородной в азимутальной плоскости ДН. Такие антенны находят применение в качестве самолетных антенн угломерных систем, осуществляющих измерение угловых координат летательного аппарата (см. Патент США №4278794). В англоязычной литературе такие системы получили название VHF Omni-directional Radio Range (VOR), которое широко используется в настоящее время.

Применение РА в авиации предъявляет к ней ряд требований, которые существенно усложняют разработку и использование антенны. К таким требованиям относятся:

- отсутствие выступающих за пределы корпуса самолета элементов, нарушающих его аэродинамику (требование конформности антенны);

- работа антенны в присутствии проводящего объекта с размерами до десяти длин волн, которым является корпус самолета;

- ограничения на размеры и форму антенны, особенно при установке ее внутри киля или крыла самолета;

- жесткие требования по защите радиоэлектронной аппаратуры от попадания молнии (молниезащита).

При этом антенна должна иметь хорошие электрические характеристики, к которым относятся: коэффициент усиления (КУ), коэффициент стоячей волны (КСВ) по входу, полоса рабочих частот, неравномерность ДН в азимутальной плоскости и т.д.

Традиционным способом возбуждения РА является выполнение разрыва рамки, в который включается двухпроводная линия передачи, выполняющая функцию порта антенны, через который осуществляется ее связь с внешними устройствами (Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ, М.: Связь, 1977). Такое простое решение часто не удовлетворяет требованиям к антенным устройствам, так как двухпроводная линия передачи относится к классу симметричных линий, не применяющихся по ряду причин в приемо-передающей аппаратуре, в которой используют несимметричные линии передачи, такие как коаксиальная линия, полосковая, микрополосковая и т.д.

Поэтому, для возбуждения РА используются специальные симметрирующие устройства, обеспечивающие переход с симметричной двухпроводной линии передачи на несимметричную линию, чаще всего в виде коаксиального кабеля (Патент РФ №2255393). В данном техническом решении имеются электрические контакты между входом и выходом устройства, что не позволяет осуществлять его защиту от попадания молнии в РА.

Для повышения равномерности излучения в азимутальной плоскости в РА выполняют несколько разрывов, к которым подключаются проводники двухпроводных линий. Несколько двухпроводных линий далее объединяются в одну линию передачи при помощи делителя/сумматора мощности. Известно техническое решение, в котором для возбуждения РА непосредственно используются коаксиальные линии передачи (Патент США 4746927). В данной антенне внешние проводники коаксиальных линий формируют металлическую рамку. Входы коаксиальных линий объединяются при помощи делителя/сумматора мощности, который расположен в центре РА. Использование многоэлементной схемы возбуждения РА повышает однородность ее диаграммой направленности (ДН) в азимутальной плоскости.

Особенностью данного технического решения является круговая форма РА, которая не позволяет установит антенну в киле самолета (такая установка антенны является предпочтительной).

В силу того, что РА представляет собой антенну резонансного типа, полоса рабочих частот ограничена добротностью РА, которая сильно зависит от конструкции рамки, а также от способа ее установки на летательном аппарате. Отметим, что при установке антенны на киле самолета для обеспечения требования конформности антенны приходится использовать рамки некруговой формы (см. Патент США №7825866): эллиптической или прямоугольной, что повышает добротность РА и сужает ее полосу частот. Поэтому актуальной проблемой при разработке самолетных РА является обеспечение требуемого рабочего диапазона частот, в котором коэффициент стоячей волны (КСВ) по входу не превышает заданное значение.

Известно техническое решение, в котором в металлической рамке выполнено несколько разрывов, в часть из которых включены конденсаторы, которые используются для настройки РА на требуемую рабочую частоту (см. Патент США №7825866).

Как правило, РА данного типа имеют узкую полосу рабочих частот.

Характерная особенность всех упомянутых выше известных РА -это сложность их установки и монтажа на металлическом объекте с большими электрическими размерами, которым является самолет. Присутствие такого объекта существенно искажает характеристики антенны, изменяя ее входное сопротивление, резонансную частоту и ДН. Данное обстоятельство сильно затрудняет настройку антенны и достижение требуемых параметров в реальных условиях эксплуатации.

Для облегчения настройки и монтажа антенны в ее конструкцию вводится металлический экран (см. Kittima Lertsakwimarn, Chuwong Phongcharoenpanich, Takeshi Fukusako, "A Horizontally Polarized, Low-Profile and Compact Antenna for Radiating Parallel to Ground Plane", Proc. Of iWEM 2014, Sapporo, Japan, 2014, pp. 12-13). Такой экран существенно уменьшает влияние металлического объекта, в частности самолета, на характеристики РА и, таким образом, делает настройку и установку антенны значительно проще. Для данного технического решения также характерна узкая полоса рабочих частот.

Наиболее близким к заявляемой малогабаритной РА является техническое решение Jie Wang, Jincheng Du, Junqing Xu, Qi Zhu "A Wideband VHF Horizontal Polarized Omnidirectional Square Loop Antenna", Proc. 2020 IEEE 6-th International Conference on Computer and Communications (ICCC). Chengdu, China, December 2020, pp.434-437.

Данная антенна содержит прямоугольную металлическую рамку, которая имеет две торцевые и две боковые стороны, согласующее устройство и выходной коаксиальный кабель, в одной из торцевых сторон прямоугольной металлической рамки выполнен разрыв, в который включен настроечный конденсатор рамки, который выполнен с первой и второй обкладками, а согласующее устройство выполнено в виде резонатора.

Резонатор выполняется в виде последовательного контура на сосредоточенных LC элементах, который электрически соединен с прямоугольной рамкой. В окрестности резонансной частоты рамка может быть описана эквивалентной схемой в виде параллельного контура, который имеет входное сопротивление, близкое к сопротивлению рамки. Вместе с последовательным контуром согласующего устройства они образуют колебательную систему второго порядка, которая при правильной настройке обеспечивает хорошее согласование на двух частотах - в отличие от РА без согласующего устройства, которая имеет одну частоту идеального согласования. Таким образом, применение согласующего устройства данного типа и переход к колебательной системе второго порядка обеспечивают расширение полосы рабочих частот антенны.

Недостатком прототипа является отсутствие защиты антенны от попадания в нее молнии.

Металлическая рамка электрически изолирована от массивного металлического объекта, на котором она установлена (самолета) и одновременно электрически связана с согласующим устройством и через него с приемо-передающей аппаратурой радиоэлектронной угломерной системы, частью которой является антенна. Поэтому при попадании в нее молнии электрический заряд через согласующее устройство попадет в приемо-передающую аппаратуру, что в свою очередь, приведет к возникновению электрического тока высокой интенсивности, который выведет из строя антенну вместе с приемо-передающей аппаратурой из-за явлений теплового и электрического пробоя.

Задачей малогабаритной рамочной антенны является обеспечение защиты от попадания молнии.

Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия (КПД) малогабаритной рамочной антенны.

Еще одним техническим результатом является расширение полосы рабочих частот.

Также техническим результатом является повышение технологичности и снижение стоимости антенны.

Технический результат достигается за счет того, что в малогабаритную рамочную антенну введен металлический экран, установленный параллельно плоскости прямоугольной металлической рамки, торцевая сторона прямоугольной металлической рамки, противоположная торцевой стороне с разрывом, электрически соединена с металлическим экраном при помощи металлической перемычки, резонатор выполнен в виде отрезка коаксиального кабеля и настроечного конденсатора согласующего устройства, который выполнен с первой и второй обкладками и включен между концами внутреннего проводника отрезка коаксиального кабеля, а внешний проводник коаксиального кабеля электрически соединен с металлическим экраном, рамка и согласующее устройство соединены через два конденсаторы связи, один из которых включен между первой обкладкой настроечного конденсатора рамки и первой обкладкой настроечного конденсатора согласующего устройства, а второй - между второй обкладкой настроечного конденсатора рамки и второй обкладкой настроечного конденсатора согласующего устройства, к отрезку коаксиального кабеля на расстоянии, меньшем половины его длины, параллельно подключен выходной коаксиальный кабель.

Конструкция малогабаритной рамочной антенны представлена на фиг. 1. Она состоит из прямоугольной металлической рамки, которая имеет две торцевые стороны 1, 2 и две боковые стороны 3, 4. В торцевой стороне рамки 1 выполнен разрыв. Согласующее устройство выполнено в виде отрезка коаксиального кабеля 5, к которому параллельно подключен выходной коаксиальный кабель 6. Точка включения выходного коаксиального кабеля 6 смещена относительно середины отрезка коаксиального кабеля 5. В разрыв в торцевой стороне рамки 1 включен настроечный конденсатор рамки 7. Между двумя концами центрального проводника отрезка коаксиального кабеля 5 включен настроечный конденсатор согласующего устройства 8.

Концы центрального проводника отрезка коаксиального кабеля 5 соединены с обкладками настроечного конденсатора рамки через конденсаторы связи 9, 10. Параллельно плоскости металлической рамки располагается металлический экран 11, который электрически соединен с торцевой стороной 2 металлической рамки при помощи перемычки 12. Внешний проводник отрезка коаксиального кабеля 5 электрически соединен с металлическим экраном 11. В варианте, показанном на фиг. 1, он расположен на металлическом экране 11.

В силу взаимности антенны ее работу можно рассматривать как в приемном, так и в передающем режимах. В данном случае удобнее рассмотреть функционирование антенны в передающем режиме.

Возможны разные конструктивные реализации малогабаритной рамочной антенны. В одной из них торцевая сторона металлической рамки, в которой выполнен разрыв, выполнена в виде печатной платы, на которой выполнены первый, второй, третий и четвертый печатные проводники, которые электрически изолированы друг от друга, первый и второй печатные проводники электрически соединены с разными боковыми сторонами прямоугольной металлической рамки, концы внутреннего проводника отрезка коаксиального кабеля электрически соединены с третьим и четвертым печатными проводниками, настроечный конденсатор рамки включен между первым и вторым печатными проводниками, настроечный конденсатор согласующего устройства включен между третьим и четвертым печатными проводниками, первый конденсатор связи включен между первым и четвертым печатными проводниками, а второй конденсатор связи включен между вторым и третьим печатными проводниками.

Данная конструкция показана на фиг. 2. Она отличается от приведенной на фиг. 1 реализацией торцевой стороны 1 прямоугольной металлической рамки. В данном варианте она выполнена в виде печатной платы, которая содержит диэлектрическую подложку 13 и четыре печатных проводника 14, 15, 16, 17. Печатные проводники 14, 15, 16, 17 электрически изолированы друг от друга, причем печатные проводники 14 и 15 электрически соединены с боковыми сторонами 3,4 прямоугольной металлической рамки. Печатные проводники 14-17 могут располагаться как на стороне диэлектрической подложки 13, непосредственно примыкающей к боковым сторонам 3, 4 прямоугольной металлической рамки, так и на противоположной ее стороне. В этом случае электрический контакт печатных проводников 14, 15 с боковыми сторонами 3, 4 прямоугольной металлической рамки осуществляется, например, через металлизированные отверстия в диэлектрической подложке 13.

Между печатными проводниками 14, 15 включен настроечный конденсатор рамки 7, между печатными проводниками 15, 16 включен конденсатор связи 10, между печатными проводниками 16, 17 включен настроечный конденсатор согласующего устройства 8 и между печатными проводниками 17, 14 включен конденсатор связи 9.

Выполнение торцевой стороны 1 прямоугольной металлической рамки в виде печатной платы удобно с точки зрения простоты сборки антенны и ее настройки. Сосредоточенные конденсаторы 7-10 монтируются на печатной плате путем стандартной процедуры поверхностного монтажа.

Возможна еще одна конструктивная реализация малогабаритной рамочной антенны, в которой первый, второй, третий и четвертый печатные проводники расположены на первой стороне печатной платы, а конденсаторы связи, настроечный конденсатор рамки и настроечный конденсатор согласующего устройства выполнены в виде пятого, шестого, седьмого и восьмого печатных проводников, которые изолированы друг от друга и расположены на второй стороне печатной платы, причем проекция пятого проводника на первую сторону печатной платы, имеет области пересечения только с первым и вторым проводником, проекция шестого проводника на первую сторону печатной платы имеет области пересечения только со вторым и третьим проводником, проекция седьмого проводника на первую сторону печатной платы имеет области пересечения только с третьим и четвертым проводником, а проекция восьмого проводника на первую сторону печатной платы имеет области пересечения только с четвертым и первым проводником.

Данная реализация малогабаритной рамочной антенны показана на фиг. 3. Она отличается от изображенной на фиг. 2 тем, что настроечные конденсаторы рамки и согласующего устройства 7, 8, а также конденсаторы связи 9, 10 выполнены в виде печатных проводников 18, 19, 20, 21. При этом печатные проводники 14-17 расположены на одной стороне диэлектрической подложки 13, а печатные проводники 18-21 - на другой ее стороне. Печатные проводники 18-21 электрически изолированы друг от друга. В силу того, что печатные проводники 14-17 и 18-21 расположены на разных сторонах диэлектрической подложки 13, они также электрически изолированы друг от друга. Проекции печатных проводников 18-21 на противоположную сторону диэлектрической подложки 13 имеют следующие области пересечения: проекция печатного проводника 18 пересекается с печатными проводниками 14, 15, проекция печатного проводника 19 пересекается с печатными проводниками 15, 16, проекция печатного проводника 20 пересекается с печатными проводниками 16, 17, проекция печатного проводника 21 пересекается с печатными проводниками 14, 17.

При таком расположении печатных проводников 18-21 они электрически эквивалентны конденсаторам 7-10. Вблизи проводников 18-21 выполнены настроечные площадки 22. Припаивая их к печатным проводникам 18-21, можно с определенным шагом изменять емкости конденсаторов 7-10 и за счет этого настраивать параметры антенны.

Эквивалентная схема малогабаритной рамочной антенны показана на фиг. 4. Она состоит из двух резонаторов P1, Р2. Роль резонатора Р1 играет прямоугольная металлическая рамка. Роль резонатора Р2 играет согласующее устройство в виде отрезка коаксиального кабеля 5. Электрические токи, текущие по прямоугольной металлической рамке, возбуждают волны в свободном пространстве, что сопровождается излучением части электромагнитной энергии из резонатора Р1. Данный эффект учитывается нагрузкой резонатора Р1 сопротивлением излучения R_и.

Резонаторы Р1 и Р2 электрически связаны между собой. Указанная связь обеспечивается конденсаторами связи 9, 10 (см. фиг. 1). Резонатор Р2 в виде отрезка коаксиального кабеля 5 связан с выходным коаксиальным кабелем 6. К нему подключен СВЧ генератор. Он учитывается в эквивалентной схеме генератором с э.д.с. Е и внутренним сопротивлением R_г.

Сигнал от СВЧ генератора через выходной коаксиальный кабель 6 поступает в резонатор в виде отрезка коаксиального кабеля 5. Без учета влияния конденсаторов связи 9, 10 и настроечного конденсатора согласующего устройства 8 на концах отрезка коаксиального кабеля 5 выполняются условия холостого хода. Известно, что разомкнутая на обоих концах линия передачи (ЛП) является резонатором, причем условие резонанса имеет вид

где

ƒ_rN - частота резонанса,

с - скорость света в свободном пространстве,

L - длина линии передачи,

ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды внутри ЛП,

N - порядок резонанса.

Основному колебанию соответствует N=1. Из соотношения (1) видно, что при заданной частоте резонанса основного колебания длина ЛП меньше половины длины волны в свободном пространстве, т.к. относительная диэлектрическая проницаемость е всегда больше или равна единице.

В рассматриваемом техническом решении роль ЛП выполняет отрезок коаксиального кабеля 5. Обычно коаксиальные ЛП заполнены диэлектриками с относительной диэлектрической проницаемостью, близкой к 2 (фторопласт, полиэтилен и т.д.). Включение между концами центрального проводника отрезка коаксиального кабеля 5 настроечного конденсатора согласующего устройства 8 изменяет условие резонанса (1), при этом резонансная частота ƒ_rN зависит от емкости конденсатора. Это позволяет изменять ее в ограниченных пределах и настраивать резонатор Р1 на центральную частоту рабочего диапазона малогабаритной рамочной антенны ƒ₀.

Следует отметить, что увеличение емкости настроечного конденсатора обычно сопровождается ростом тепловых потерь в антенне, поэтому основная настройка осуществляется выбором длины L отрезка коаксиального кабеля 5.

Прямоугольная металлическая рамка с разрывом в торцевой стороне 1 также является резонансной структурой. Ее резонансная частота на основном колебании определяется условием:

где L_R - длина боковых сторон 3, 4 прямоугольной металлической рамки.

При включении в разрыв торцевой стороны 1 настроечного конденсатора рамки 7 частота ƒ_R смещается, что может быть использовано для настройки рамки на требуемую частоту ƒ₀. Ситуация здесь аналогична ситуации, описанной выше. Поэтому основная настройка осуществляется выбором длины L_R, а изменение емкости настроечного конденсатора рамки 7 используется для точной настройки.

Таким образом, при помощи настроечных конденсаторов 7, 8 оба резонатора Р1,2 настроены на одну частоту ƒ₀. В этом случае возможно интенсивное взаимодействие резонаторов P1, Р2 при их связи. За счет этого взаимодействия осуществляется передача энергии, поступившей в резонатор Р2 от СВЧ генератора в резонатор Р1 и далее в свободное пространство. Связь между резонаторами P1, Р2 осуществляется при помощи конденсаторов связи 9, 10.

Как известно из теории радиотехнических цепей, при связи двух резонаторов, настроенных на одну частоту ƒ₀, возникает единая колебательная система второго порядка, в которой существуют два колебания с частотами ƒ₁,₂:

Разнос между частотами Δƒ определяет уровень связи между резонаторами. В теории СВЧ фильтров часто вместо параметра Δƒ используют безразмерный коэффициент связи k:

Наличие двух колебаний с разнесенными резонансными частотами приводит к изменению амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) антенны. В рамках эквивалентной схемы на фиг. 3 она характеризуется двумя параметрами: КСВ по входу и коэффициентом передачи (КП) от генератора в нагрузку R_и. На фиг. 5 а,б показаны типовые частотные зависимости этих параметров.

Кривые 1 на фиг. 5 а,б соответствуют антенне с одним резонатором, а кривые 2-е двумя резонаторами. Горизонтальная линия на фиг. 5а соответствует предельно допустимому уровню КСВ, в качестве которого в данном случае выбрано принятое для антенн данного типа значение КСВ_п=5. На фиг. 5б горизонтальная линия показывает максимальный уровень КП, который определяет КПД антенны.

Из кривых, показанных на фиг. 5 а,б хорошо видно, что применение двухрезонаторной системы второго порядка значительно расширяет полосу рабочих частот по сравнению с однорезонаторной схемой. Полосу рабочих частот можно определить как полосу, в которой выполняется неравенство КСВ<КСВ_п. Как следует из фиг. 5а, переход к двухрезонаторной схеме дает расширение полосы, близкое к двухкратному.

Из фиг. 5б видно, что коэффициент передачи в полезную нагрузку никогда не достигает своего предельного значения, равного 1 (или 0 дБ). Такое положение обусловлено наличием внутренних диссипативных потерь в резонаторах P1, Р2. Эти потери задают максимально достижимый уровень КПД антенны. В случае, показанном на фиг. 5б, он близок к -2 дБ.

Применение в качестве согласующего устройства резонатора в виде отрезка коаксиального кабеля 5 позволяет повысить КПД антенны по сравнению с прототипом, в котором согласующее устройство выполнено в виде последовательного контура на сосредоточенных элементах. В диапазоне УКВ сосредоточенные элементы, в особенности сосредоточенные индуктивности, имеют существенные тепловые потери, которые снижают собственную добротность контура согласующего устройства. Появление больших тепловых потерь связано с высокой плотностью токов проводимости, сконцентрированных в малом объеме, занятом сосредоточенным элементом. При использовании отрезка коаксиального кабеля 5 объем резонатора многократно увеличивается и, соответственно, уменьшается плотность тока и связанные с ней тепловые потери. На практике типовая добротность стандартной индуктивности в диапазоне УКВ близка к 100. В тоже время, добротность коаксиального кабеля диаметром 10 мм может достигать 1000.

При связи резонаторов Р1,2 через реактивные элементы в виде конденсаторов связи 9, 10 происходит смещение резонансных частот резонаторов Р1 и Р2, однако оно может быть легко скомпенсировано путем изменения емкостей настроечных конденсаторов рамки и согласующего устройства 7,8.

Отметим, что из соотношений (1) и (2) следует, что половина длины отрезка коаксиального кабеля 5 всегда меньше длины боковых сторон 3, 4 прямоугольной металлической рамки. Поэтому, придавая отрезку коаксиального кабеля 5 U-образную форму, его можно разместить внутри рамки без увеличения ее максимальных размеров. Таким образом, увеличение КПД за счет увеличения объема согласующего устройства происходит без увеличения габаритных размеров антенны.

Важным фактором является продольное распределение напряжения u(z) основного колебания отрезка коаксиального кабеля 5:

где

L - длина отрезка коаксиального кабеля 5,

z - координата вдоль указанного отрезка, которая отсчитывается от одного из его концов.

Под напряжением в данном случае понимается напряжение между внешним и внутренним проводниками коаксиального кабеля. Нетрудно видеть, что напряжения на противоположных концах отрезка коаксиального кабеля 5 при z=0,L одинаковы по амплитуде, но противофазны. В силу того, что внешний проводник отрезка коаксиального кабеля 5 электрически связан с металлическим экраном 11, напряжение (5) одновременно является напряжением между металлическим экраном 11 и центральным проводником отрезка коаксиального кабеля 5.

При выполнении конденсаторов связи 9, 10 одинаковыми напряжения между прямоугольной металлической рамкой и металлическим экраном 11 в точках включения конденсаторов связи 9, 10 также будут одинаковыми и противофазными. Отсюда следует, что суммарный потенциал прямоугольной металлической рамки относительно металлического экрана

11 равен нулю, а напряжение от отрезка коаксиального кабеля прикладывается между боковыми сторонами 3, 4 прямоугольной металлической рамки.

Из изложенного выше следует, что данный симметричный тип возбуждения рамки минимизирует влияние металлического экрана 11 на функционирование антенны, обнуляя разность потенциалов между ним и прямоугольной металлической рамкой. Данное обстоятельство позволяет электрически соединить металлический экран 11 с торцевой стороной 2 прямоугольной металлической рамки перемычкой 12 без существенного изменения параметров антенны. Симметричное расположение перемычки 12 относительно указанной выше плоскости симметрии является предпочтительным.

При попадании молнии в прямоугольную металлическую рамку возникает разность потенциалов между ней и металлическим экраном 11. Накопленный на рамке заряд в силу указанной разности потенциалов стекает с рамки через перемычку 12 на металлический экран 11 и далее на корпус самолета, с которым металлический экран 11 имеет электрический контакт. Таким образом, без существенного влияния на работу антенны реализуется функция ее защиты от попадания молнии. Одновременно осуществляется молниезащита приемо-передающего устройства, подключенного ко входу антенны.

Настройка АЧХ малогабаритной рамочной антенны зависит от точки подключения выходного коаксиального кабеля 6 к отрезку коаксиального кабеля 5. Как видно из соотношения (5), в центре отрезка коаксиального кабеля 5 при z=L/2 напряжение равно нулю. Поэтому точка включения выходного коаксиального кабеля должна быть смешена относительно центра отрезка коаксиального кабеля 5. Конкретное положение точки соединения двух кабелей выбирается при настройке антенны из условия достижения наилучшего ее согласования на частотах ƒ_1,2 (см. фиг. 5а).

Следует отметить, что предложенная малогабаритная рамочная антенна имеет выход в виде коаксиального кабеля 6, т.е. в виде несимметричной ЛП, которая хорошо сопрягается со стандартной приемопередающей аппаратурой. Этим предлагаемая антенна выгодно отличается от известных аналогов, в которых в качестве выходной линии предлагается двухпроводная ЛП, требующая использования отдельного симметрирующего устройства. В предлагаемом техническом решении согласующее устройство одновременно выполняет функцию симметрирующего устройства, что делает ее конструкцию более простой и технологичной.

Важной функцией малогабаритной рамочной антенны является формирование в пространстве ДН, близкой к однородной по азимутальному углу ϕ (см. фиг. 6).

Как отмечалось выше, согласующее устройство создает напряжение между боковыми сторонами 3,4 прямоугольной металлической рамки. Такое напряжение возбуждает в прямоугольной металлической рамке кольцевой электрический ток. Направление протекания тока показано на фиг. 6 стрелками. Наличие разрыва в торцевой стороне 1, а также прямоугольная форма рамки приводят к нарушению однородности распределения тока на рамке. Однако вследствие того, что боковые стороны 3,4 имеют сравнительно небольшую электрическую длину, указанная неоднородность тока слабо сказывается на форме ДН. При этом неоднородность ДН в азимутальной плоскости остается в допустимых пределах.

На фиг. 7 показана расчетная нормированная ДН малогабаритной рамочной антенны в азимутальной плоскости F(ϕ) на частоте 116 МГц. Как видно, изменения ДН в указанной плоскости не превышают 0.3 дБ.

На фиг. 8 показана фотография действующего образца малогабаритной рамочной антенны. Для уменьшения массы устройства боковые стороны 3, 4 металлической рамки выполнены не сплошными, а с вырезами, которые слабо влияют на электрические и механические свойства рамки, но позволяют существенно снизить ее вес.

Образец предназначен для работы в диапазоне частот 106-116 МГц, в котором он должен иметь КСВ по входу, не превышающий пяти. На фиг. 9 показана измеренная частотная зависимость КСВ образца малогабаритной рамочной антенны. Видно, что частотная зависимость КСВ имеет характерную двугорбую форму (см. фиг. 5а), которую обеспечивает согласующее устройство в виде отрезка коаксиального кабеля 5.

Видно также, что в требуемом частотном диапазоне значение КСВ антенны не превышает 3, что согласуется с требованиями, предъявляемыми к самолетным антеннам.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствуют о том, что заявляемая малогабаритная рамочная антенна решает поставленную задачу обеспечения защиты от попадания молнии.

Наряду с этим положительный технический результат, достигаемый за счет применения малогабаритной рамочной антенны, состоит:

- в повышении КПД антенны за счет применения резонатора в виде отрезка коаксиального кабеля с добротностью до 103;

- в расширении полосы рабочих частот в 1.5 раза за счет использования в схеме антенны колебательной системы второго порядка.

- в повышении технологичности и снижении стоимости на 20-30% антенны за счет совмещения функций согласующего и симметрирующего устройств в предлагаемой конструкции антенны.

Изобретение относится к малогабаритной рамочной антенне. Антенна содержит: прямоугольную металлическую рамку, выходной коаксиальный кабель, настроечный конденсатор рамки, согласующее устройство и металлический экран. В одной из торцевых сторон прямоугольной металлической рамки выполнен разрыв. В разрыв включен настроечный конденсатор рамки. Настроечный конденсатор рамки выполнен с первой и второй обкладками. Согласующее устройство выполнено в виде резонатора. Металлический экран установлен параллельно плоскости прямоугольной металлической рамки. Торцевая сторона прямоугольной металлической рамки, противоположная торцевой стороне с разрывом, электрически соединена с металлическим экраном при помощи металлической перемычки. Резонатор выполнен в виде отрезка коаксиального кабеля и настроечного конденсатора согласующего устройства. Настроечный конденсатор установлен между концами внутреннего проводника отрезка коаксиального кабеля. Внешний проводник коаксиального кабеля электрически соединен с металлическим экраном. Рамка и согласующее устройство соединены через два конденсатора связи. Один конденсатор установлен между первой обкладкой настроечного конденсатора рамки и первой обкладкой настроечного конденсатора согласующего устройства. Второй конденсатор установлен между второй обкладкой настроечного конденсатора рамки и второй обкладкой настроечного конденсатора согласующего устройства. К отрезку коаксиального кабеля на расстоянии, меньшем половины его длины, параллельно подсоединен выходной коаксиальный кабель. Достигается защита антенны от попадания молнии. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Малогабаритная рамочная антенна, содержащая прямоугольную металлическую рамку, которая имеет две торцевые и две боковые стороны, согласующее устройство и выходной коаксиальный кабель, в одной из торцевых сторон прямоугольной металлической рамки выполнен разрыв, в который включен настроечный конденсатор рамки, который выполнен с первой и второй обкладками, а согласующее устройство выполнено в виде резонатора, отличающаяся тем, что в малогабаритную рамочную антенну введен металлический экран, установленный параллельно плоскости прямоугольной металлической рамки, торцевая сторона прямоугольной металлической рамки, противоположная торцевой стороне с разрывом, электрически соединена с металлическим экраном при помощи металлической перемычки, а резонатор выполнен в виде отрезка коаксиального кабеля и настроечного конденсатора согласующего устройства, который выполнен с первой и второй обкладками и установлен между концами внутреннего проводника отрезка коаксиального кабеля, а внешний проводник коаксиального кабеля электрически соединен с металлическим экраном, рамка и согласующее устройство соединены через два конденсатора связи, один из которых установлен между первой обкладкой настроечного конденсатора рамки и первой обкладкой настроечного конденсатора согласующего устройства, а второй - между второй обкладкой настроечного конденсатора рамки и второй обкладкой настроечного конденсатора согласующего устройства, к отрезку коаксиального кабеля на расстоянии, меньшем половины его длины, параллельно подсоединен выходной коаксиальный кабель.

2. Малогабаритная рамочная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что торцевая сторона металлической рамки, в которой выполнен разрыв, выполнена в виде печатной платы, на которой выполнены первый, второй, третий и четвертый печатные проводники, которые электрически изолированы друг от друга, первый и второй печатные проводники электрически соединены с разными боковыми сторонами прямоугольной металлической рамки, концы внутреннего проводника отрезка коаксиального кабеля электрически соединены с третьим и четвертым печатными проводниками, настроечный конденсатор рамки установлен между первым и вторым печатными проводниками, настроечный конденсатор согласующего устройства установлен между третьим и четвертым печатными проводниками, первый конденсатор связи установлен между первым и четвертым печатными проводниками, а второй конденсатор связи установлен между вторым и третьим печатными проводниками.

3. Малогабаритная рамочная антенна по п. 2, отличающаяся тем, что первый, второй, третий и четвертый печатные проводники расположены на первой стороне печатной платы, а конденсаторы связи, настроечный конденсатор рамки и настроечный конденсатор согласующего устройства выполнены в виде пятого, шестого, седьмого и восьмого печатных проводников, которые изолированы друг от друга и расположены на второй стороне печатной платы, причем проекция пятого проводника на первую сторону печатной платы имеет области пересечения только с первым и вторым проводниками, проекция шестого проводника на первую сторону печатной платы имеет области пересечения только со вторым и третьим проводниками, проекция седьмого проводника на первую сторону печатной платы имеет области пересечения только с третьим и четвертым проводниками, а проекция восьмого проводника на первую сторону печатной платы имеет области пересечения только с четвертым и первым проводниками.