Способ возбуждения щелевой антенны многопетлевым проводником и устройство для его реализации Российский патент 2024 года по МПК H01Q13/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящий способ возбуждения щелевой антенны и устройство для его реализации относятся к области радиотехники, а именно к антенно-фидерным устройствам.

Уровень техники

Известен способ возбуждения щелевой антенны [А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов "Антенно-фидерные устройства". М.: Советское радио. - 1974; рис. XI.8 на стр. 241], отрезком проводника, расположенным между длинными кромками щели. Питание отрезка проводника выполняют, например, коаксиальным кабелем, следующим образом: коаксиальный кабель укладывают на пластину со щелью, внешний проводник коаксиального кабеля гальванически соединяют с пластиной в первой точке на первой длинной кромке щели, центральный проводник коаксиального кабеля гальванически соединяют с первым концом упомянутого отрезка проводника, второй конец которого имеет гальванический контакт с пластиной во второй точке на второй длинной кромке щели. В качестве отрезка проводника, возбуждающего щелевую антенну, может быть использован центральный проводник кабеля после удаления с кабеля оболочки и внешнего проводника на участке между кромками щели. Для обеспечения согласования щелевой антенны с коаксиальным кабелем точки гальванического контакта внешнего проводника коаксиального кабеля с первой длинной кромкой щели и отрезка проводника со второй длинной кромкой щели, смещают из центра щели в сторону короткой кромки щели (Вторую точку гальванического контакта располагают напротив первой точки гальванического контакта).

Недостатки описанного выше способа возбуждения щелевой антенны и устройства его реализации:

- узкий диапазон настройки щелевой антенны с коаксиальным кабелем; здесь и далее под диапазоном настройки антенны с фидером мы понимаем диапазон частот, в котором КСВН в фидере, питающем антенну, на частоте настройки не будет превышать допустимую величину КСВН_доп. Естественно стремление получить в фидере на частоте настройки режим бегущей волны (КСВН=1),

- сложность в нахождении точки гальванического контакта внешнего проводника коаксиального кабеля с пластиной на первой кромке щели для обеспечения согласования щели с коаксиальным кабелем; упомянутая сложность обусловлена узкой полосой частот согласования,

- в конструкции щелевой антенны отсутствует возможность компенсации реактивной составляющей входного сопротивления антенны,

- вследствие несимметричного возбуждения антенны появляется волна, распространяющаяся в линии, образованные внешним проводником коаксиального кабеля и пластиной; в результате наблюдается заметное излучение кабеля (антенный эффект фидера), при этом характеристики антенны существенным образом зависят от внешних эксплуатационных факторов.

Наиболее близким к заявленному техническому решению - прототипом - является щелевая антенна по патенту RU 2574172 C1 (RU 2574172 C1, H01Q 13/12 (2006.01), «ЩЕЛЕВАЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ АНТЕННА», Патентообладатель: ФГБОУ ВПО "Южно-Уральский государственный университет" (Национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) (RU), Авторы: Войтович Н.И., Клыгач Д.С., Низаметдинов Д.И., Репин Η.Н.. Щелевая цилиндрическая антенна содержит проводящий цилиндрический корпус с продольной щелью с первой и второй длинными кромками и фидер, дополнительно содержит первый проводящий хомут, второй проводящий хомут и согласующий отрезок кабеля, при этом первый хомут расположен с образованием гальванического контакта на первой кромке щели, второй хомут расположен с образованием гальванического контакта на второй кромке щели, фидер проложен на поверхности цилиндра вдоль прямой линии, диаметрально противоположной продольной оси щели, с загибом в окрестности точки возбуждения щели, проложен через первый хомут с образованием внешним проводником фидера гальванического контакта с первым хомутом, согласующий отрезок кабеля проложен через второй хомут; центральный проводник фидера гальванически соединен с первым концом возбуждающего проводника, второй конец которого соединён с центральным проводником согласующего отрезка кабеля.

Недостатки способа возбуждения и устройства его реализации упомянутой выше щелевой цилиндрической антенны:

- узкий диапазон настройки щелевой антенны с коаксиальным кабелем,

- упомянутое устройство возбуждения применимо лишь для возбуждения щели на замкнутой цилиндрической поверхности,

- настройка щелевой цилиндрической антенны в резонанс путём подрезания согласующего отрезка кабеля обуславливает смещение резонанса щелевой цилиндрической антенны в сторону низких частот, при необходимости перенастройки антенны в резонанс на частоте исходного диапазона, необходимо устанавливать в конструкцию щелевой цилиндрической антенны новый согласующий отрезок кабеля,

- многократная настройка щелевой цилиндрической антенны в резонанс в диапазоне частот ведет к неэффективному использованию комплектующих из-за необходимости замены согласующего отрезка кабеля.

Раскрытие изобретения

Технический результат предложенного способа возбуждения щелевой антенны и устройства его реализации заключается:

- в расширении диапазона настройки щелевой антенны,

- в удобстве настройки согласования щелевой антенны с фидером.

Технический результат достигается за счет введения в антенну дополнительно многопетлевого проводника и регулировки количества и геометрических размеров петель многопетлевого проводника.

Введение в состав щелевой антенны многопетлевого проводника позволяет решать следующие задачи:

- настройки по согласованию щелевой антенны с фидером в широком диапазоне частот,

- компенсация реактивной составляющей входного сопротивления щелевой антенны за счет изменения количества и размеров петель многопетлевого проводника,

- обеспечение передачи максимальной мощности СВЧ-сигнала за счет согласования щелевой антенны с фидером,

- обеспечивает возможность многократной настройки щелевой антенны в резонанс в рабочем диапазоне частот.

Решение поставленных задач поясняется ниже чертежами.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлено сечение щелевой антенны, возбуждаемой трёхпетлевым проводником, плоскостью, перпендикулярной длинным кромкам щели. Щелевая антенна запитана коаксиальным кабелем.

На фиг. 1 введены следующие обозначения:

1 - щелевая антенна, возбуждаемая трёхпетлевым проводником,

2 - проводящая пластина,

3 - щель,

4 - коаксиальный кабель,

5 - первый конец коаксиального кабеля,

6 - второй конец коаксиального кабеля,

7 - соединитель радиочастотный,

8 - трёхпетлевой проводник,

9 - отверстия в пластине с первой стороны относительно продольной оси щели,

10 - отверстия в пластине со второй стороны относительно продольной оси щели,

11 - внешний проводник коаксиального кабеля,

12 - гальванический контакт внешнего проводника коаксиального кабеля с пластиной,

13 - центральный проводник коаксиального кабеля,

14 - диэлектрик коаксиального кабеля.

На фиг. 2 представлена щелевая антенна, возбуждаемая многопетлевым проводником, в собранном виде.

На фиг. 3. представлена щелевая антенна, возбуждаемая многопетлевым проводником, в собранном виде, с фидером, расположенным на проводящей пластине параллельно продольной оси ОО щели.

На фиг. 4. представлено сечение, проходящее через ось коаксиального кабеля 4, питающего щелевую антенну, возбуждаемую многопетлевым проводником.

На фиг. 5 представлены зависимости КСВН от частоты щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, по настоящему изобретению.

На фиг. 5 введены следующие обозначения:

15 - зависимость КСВН щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, от частоты для первой конфигурации многопетлевого проводника,

16 - зависимость КСВН щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, от частоты для второй конфигурации многопетлевого элемента,

17 - зависимость КСВН щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, от частоты для третьей конфигурации многопетлевого возбуждающего элемента,

18 - зависимость КСВН щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, от частоты для четвертой конфигурации многопетлевого возбуждающего элемента,

19 - зависимость КСВН щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, от частоты для пятой конфигурации многопетлевого возбуждающего элемента,

20 - зависимость КСВН щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, от частоты для шестой конфигурации многопетлевого возбуждающего элемента,

21 - огибающая семейства зависимостей КСВН щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, от частоты для совокупности конфигураций многопетлевого проводника.

На фиг. 6 представлены зависимости КСВН «классической» щелевой антенны в диапазоне частот.

На фиг. 6 введены следующие обозначения:

22 - зависимость КСВН «классической» щелевой антенны от частоты для первой позиции гальванического контакта внешнего проводника и центрального проводника на кромках щели антенны-прототипа,

23 - зависимость КСВН «классической» щелевой антенны от частоты для второй позиции гальванического контакта внешнего проводника и центрального проводника на кромках щели антенны-прототипа,

24 - зависимость КСВН «классической» щелевой антенны от частоты для третьей позиции гальванического контакта внешнего проводника и центрального проводника на кромках щели антенны-прототипа,

25 - огибающая семейства зависимостей «классической» щелевой антенны от частоты для совокупности позиции контакта внешнего проводника и центрального проводника на кромках щели.

На фиг. 7 представлены для сравнения диапазоны настройки по КСВН щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, по настоящему изобретению и «классической» щелевой антенны.

Осуществление изобретения

Обратимся к фиг. 1, на которой представлено сечение щелевой антенны, с трёхпетлевым проводником в плоскости, перпендикулярной длинным кромкам щели, по настоящему изобретению. Антенна 1 содержит проводящую пластину 2 со щелью 3, фидер 4 с первым 5 и вторым 6 концами, соединитель радиочастотный 7, многопетлевой проводник 8. На проводящей пластине 2 выполнены в общем случае N отверстий 9 с первой стороны (на фиг. 1 N=2) и Μ отверстий 10 со второй стороны (на фиг. 1 М=2) относительно продольной оси щели 3 соответственно. Внешний проводник 11 фидера 4 имеет гальванический контакт 12 с проводящей пластиной 2. Второй конец 6 фидера 4 заделан в соединитель радиочастотный 7.

В качестве проводящей пластины 2 со щелью 3 может быть использован лист из такого материала как алюминий, медь, латунь, фольгированный гетинакс и другие листовые проводящие материалы.

В качестве фидера 4 может быть использован серийный коаксиальный кабель.

Изготовление щелевой антенны 1 по настоящему изобретению удобно тем, что фидер 4 и многопетлевой проводник 8 могут быть выполнены из одного и того же коаксиального кабеля. На участке от соединителя радиочастотного 7 до входа в первое из N отверстий кабель служит в качестве фидера. На участке от входа в первое из N отверстий и до конца многопетлевого проводника оболочка и внешний проводник удалены. Центральный проводник и диэлектрик, освобождённые от оболочки и внешнего проводника коаксиального кабеля, формируют многопетлевой проводник, возбуждающий щелевую антенну.

Для образования гальванического контакта 12 внешнего проводника 11 фидера 4 с проводящей пластиной 2 может быть использован, например, оловянно-свинцовый припой. Предварительно поверхность проводящей пластины 2 покрывают хорошо проводящим слоем, например, слоем сплава олово-висмут.

В качестве соединителя радиочастотного 7 может быть использован серийный соединитель радиочастотный, коаксиальный.

В проводящей пластине 2 выполняют щель 3, N отверстий 9, где N≥1, с одной стороны относительно продольной оси щели 3 и М, где М≥1, отверстий 10 с другой её стороны. Внешний проводник фидера 11 на его первом конце 5 гальванически соединяют с пластиной 2 со щелью 3 в области первого отверстия из совокупности N отверстий 9. Центральный проводник 13 фидера с диэлектриком последовательно вводят в N отверстий 9, с образованием N-1 петель, прокладывают его над (под) щелью 3, с образованием петли, вводят последовательно в Μ отверстий 10 на другой стороне относительно продольной оси щели 3 с образованием М-1 петель.

Фидер 4 может быть подведен к антенне ортогонально к поверхности платы 2, как это показано на фиг. 2. Такой вариант удобен тогда, когда щелевая антенна используется с отражателем, т.е. является односторонней щелевой антенной. Фидер 4 может быть расположен на поверхности пластины 2, как это показано на фиг. 3 и фиг. 4. Этот вариант удобен при использовании двусторонней щели в экране.

Принцип работы

Щелевая антенна, возбуждаемая многопетлевым проводником, работает следующим образом. В режиме передачи по коаксиальному кабелю подводится электромагнитная энергия к многопетлевому проводнику. В результате протекания электрического тока по многопетлевому проводнику в непосредственной окрестности проводника возникает магнитное поле, под действием которого между длинными кромками щели возникает электрическое поле, порождающее поверхностные электрические токи на поверхности пластины. Поверхностные токи являются вторичными источниками электромагнитного поля в окружающем пространстве.

За счет изменения количества или геометрических размеров петель многопетлевого проводника появляется возможность настройки щелевой антенны в резонанс в широком диапазоне частот.

Пример щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником

Выполнено моделирование характеристик образца щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, как показано на фиг. 2. Изготовлен макет щелевой антенны, возбуждаемой трёхпетлевым проводником.

Макет щелевой антенны, возбуждаемой трёхпетлевым проводником, содержит пластину из алюминиевого сплава АМГ6 размером 195×110 мм, в центре которой выполнена щель 180×10 мм. Толщина пластины 2 мм. На пластине выполнены четыре отверстия. Центры отверстий расположены на прямой линии, проходящей через центр антенны перпендикулярно к продольной оси щели. Центры первых отверстий, лежащих по разные стороны от продольной оси щели, расположены на расстоянии 20 мм от оси щели. Вторые отверстия отстоят от первых отверстий на расстоянии 15 мм. К одному из вторых отверстий (для определённости, назовём его правым) подведён ортогонально к пластине коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Оплётка кабеля расчёсана и распаяна на пластину припоем ПОС 61. С части коаксиального кабеля за пределами второго отверстия с правой стороны удалены оболочка и оплётка. Центральный проводник в диэлектрике пропущен через первое правое отверстие с образованием первой петли, проложен под щелью с образованием второй петли, пропущен через первое левое отверстие в пластине, а затем пропущен через второе отверстие с образованием третьей петли. Высота петель могла регулироваться в пределах от 2 мм до 20 мм.

На фиг. 6 приведены расчётные зависимости КСВН от частоты для шести вариантов высот (конфигураций) петель. Как видно из рассмотрения графиков на фиг. 5, изменением высоты петель можно смещать полосу согласования антенны с фидером в широком диапазоне частот.

На фиг. 6 представлены результаты моделирования согласования щелевой антенны с фидером при традиционном возбуждении антенны отрезком проводника, расположенным между длинными кромками щели.

На фиг. 7 для сравнения приведены огибающие минимумов зависимости КСВН от частоты. Как видно из рассмотрения графиков на фиг. 7, полоса настройки щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, существенно шире полосы настройки щелевой антенны, возбуждаемой отрезком проводника между длинными кромками щели. Так, например, на уровне КСВН=1,15 диапазоны настройки отличаются в 8 раз.

Эксперименты, проведённые на макете щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, показали, что диапазон настройки антенны с фидером по согласованию на уровне КСВН=1,1 составляет 400 МГц при средней частоте диапазона настройки, равной 1000 МГц. Таким образом, полоса настройки щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, на порядок превышает величину полосы настройки щелевой антенны, возбуждаемой отрезком проводника, расположенным между длинными кромками щели.

Применение

Щелевая антенна, возбуждаемая многопетлевым проводником, может использоваться как самостоятельная передающая, приёмная или приёмопередающая антенна, а также являться излучающим элементом антенной решётки, облучателем апертурных антенн, возбудителем коробчатых антенн.

Должно быть ясным, что в качестве фидера щелевой антенны, возбуждаемой многопетлевым проводником, может служить не только коаксиальный кабель, но и любая другая линия передачи электромагнитной энергии, содержащая проводники: симметричная полосковая линия, несимметричная полосковая линия, микрополосковая линия передачи. Многопетлевой проводник может быть выполнен из проводника с иными формами поперечного сечения: квадратного, прямоугольного, эллиптического, сечения не канонической формы. В качестве диэлектрика может использоваться любой диэлектрический материал: полиэтилен, фторопласт и другие.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способу возбуждения щелевой антенны и устройству для его реализации и применяется в антенно-фидерных устройствах. Технический результат - расширение диапазона настройки щелевой антенны и удобство настройки согласования щелевой антенны с фидером. Результат достигается тем, что щелевую антенну возбуждают многопетлевым проводником, при этом в проводящей пластине со щелью выполнены N, где N≥1, отверстий с одной стороны и М, где М≥1, отверстий с другой стороны относительно продольной оси щели, внешний проводник коаксиального фидера соединен гальванически с пластиной со щелью в области одного из отверстий из совокупности N отверстий, центральный проводник и диэлектрик фидера введены последовательно в N отверстий с образованием N-1 петель, далее проложены над или под щелью с образованием петли, введены последовательно в Μ отверстий с образованием М-1 петель. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ возбуждения щелевой антенны многопетлевым проводником, отличающийся тем, что щелевую антенну возбуждают многопетлевым проводником, размещенным в плоскости, перпендикулярной плоскости щели.

2. Щелевая антенна, содержащая проводящую пластину со щелью, коаксиальный фидер с внешним проводником и центральным проводником в диэлектрике, отличающаяся тем, что в проводящей пластине со щелью выполнены N, где N≥1, отверстий с одной стороны относительно продольной оси щели на прямой линии, пересекающейся с осью щели, М, где М≥1, отверстий с другой ее стороны на продолжении упомянутой прямой линии, внешний проводник коаксиального фидера соединен гальванически с пластиной со щелью в области одного из отверстий из совокупности N отверстий, центральный проводник фидера в диэлектрике расположен в плоскости, проходящей через упомянутую прямую перпендикулярно плоскости со щелью, введен последовательно в N отверстий с образованием N-1 петель, далее проложен над или под щелью с образованием петли и далее введен последовательно в М отверстий с образованием М-1 петель.