Широкополосная антенна Российский патент 2024 года по МПК H01Q9/18 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к технике антенн, и может использоваться в составе панорамного обнаружителя-пеленгатора, расположенного на малогабаритных мобильных платформах, например, на борту беспилотного летательного аппарата (БПЛА).

Известны сверхширокополосные измерительные антенны П6-322 (см., Антенны измерительные логопериодические П6-322//Описание типа средства измерений № 85044-22, https://all-pribors.ru/docs/85044-22.pdf), выполненные в виде логопериодической антенны, подключаемой с помощью коаксиального кабеля ко входу приемного устройства.

Недостатком данных антенн являются существенные:

• габаритные размеры- 2151 × 1605 × 518;

• вес - ~7 кг,

что препятствует размещению подобных антенн на малогабаритных мобильных платформах каковыми и являются БПЛА.

Известна широкополосная антенна с обтекателем (см. полезная модель РФ № RU 93182, МПК H01Q 5/01, H01Q 1/42, H01Q 11/08, опубл. 20.04.2010) включающая в себя, размещенный внутри обтекателя вертикальный элемент электромагнитного излучения (вибратор), выполненный в виде прямоугольной металлической пластины со скосами, экран и коаксиальный разъем. Вибратор установлен и закреплен перпендикулярно плоскости экрана. Центральный вывод коаксиального разъема соединен с вибратором в центральной его части. В свою очередь на внутренней поверхности обтекателя выполнены ребра жесткости, расстояние между противоположными выступами которых выбирают таким образом, чтобы обеспечить возможность фиксации положения излучающего элемента в пространстве.

Недостатком рассматриваемой широкополосной антенны с обтекателем

является сравнительно небольшой рабочий диапазон частот, составляющий величину

f_В/ f_Н=8

где f_Н, f_В −нижняя и верхняя границы рабочего диапазона частот.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является широкополосная несимметричная вибраторная антенна (см. патент РФ № RU 2324267, МПК H01Q 9/18, опубл. 10.05.2008 Бюл. №13), содержащая, заключенный в выполненный из диэлектрического материала обтекатель вертикальный вибратор, выполненный в виде прямоугольной пластины из фольгированного стеклотекстолита высотой 0,038⋅λ_max, где ⋅λ_max -длина волны, соответствующая нижней границе рабочего диапазона частот, присоединенный к внутреннему проводнику коаксиального кабеля, согласующее устройство, включающее первую и вторую индуктивности, выполненные в виде шлейфов, третью индуктивность, выполненную в виде печатной катушки индуктивности и два резистора.

Недостатком широкополосной несимметричной вибраторной антенны, описанной выше, является сравнительно небольшой рабочий диапазон частот, равный

f_В/ f_Н=13,

Техническим результатом заявленного изобретения является расширение рабочего диапазона частот антенны при одновременном снижении массогабаритных показателей панорамного обнаружителя-пеленгатора в целом.

Указанный технический результат достигается тем, что в широкополосную антенну, содержащую заключенный в выполненный из диэлектрического материала обтекатель вертикальный вибратор прямоугольной формы, выполненный в виде проводящего полигона на фронтальной стороне фольгированного диэлектрика, первый и второй резисторы и индуктивность, дополнительно введены второй полигон вибратора на тыльной стороне фольгированного диэлектрика, элемент связи вибратора с компланарной линией в форме четырехлистника, сформированный в виде проводящего полигона на обеих сторонах фольгированного диэлектрика, причем все полигоны электрически соединены друг с другом посредством переходных отверстий, компланарная линия, супрессор (TVS Diode) с ультрамалой собственной емкостью, первый СВЧ переключатель, аттенюатор, первый конденсатор, включенный по схеме с общим стоком полевой транзистор с управляющим p-n переходом, второй конденсатор, второй СВЧ переключатель, выход которого подключен ко входу приемного устройства с входным сопротивлением 50 Ом, вход первого СВЧ переключателя, соединенного с общим проводом через супрессор, подключен к выходу компланарной линии, его первый выход соединен через аттенюатор с первым входом второго СВЧ переключателя, соответственно второй выход первого СВЧ переключателя подключен ко входу усилителя, а именно к верхней обкладке первого конденсатора, нижняя обкладка которого соединена с одной стороны с общей шиной через первый резистор, а с другой- с затвором транзистора, исток которого подключен как к общему проводу через цепочку в виде последовательно соединенных второго резистора и индуктивности , так и к верхней обкладке второго конденсатора, нижняя обкладка последнего подсоединена ко второму входу второго СВЧ переключателя, высота элемента связи составляет ~λ_В/4, а его ширина (1,1-1,2)⋅λ_В, ширина лепестков ~0,1⋅λ_В, где λ_В - длина волны, соответствующая верхней границе частотного диапазона, величина индуктивности выбирается таким образом, чтобы её резонансная частота, обусловленная её собственной емкостью, была бы равна нижней границе рабочего диапазона частот антенны.

На момент подачи заявки авторами не обнаружены технические решения аналогичные или сходные отличительным признакам предполагаемого изобретения в патентах или в научно-технической литературе как в РФ, так и за границей, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства всем условиям патентоспособности.

Предполагаемое изобретение поясняется чертежами:

Фиг. 1 - конструкция широкополосной антенны;

Фиг. 2 - геометрические параметры широкополосной антенны;

Фиг. 3 - зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) антенны от частоты в верхнем рабочем поддиапазоне;

Фиг. 4 - зависимости коэффициента передачи сигнала с выхода антенны на вход приемного устройства в нижнем рабочем поддиапазоне для случаев подключения к тракту 50 Ом через усилитель и непосредственно.

Широкополосная антенна (Фиг. 1) содержит, вертикальный вибратор 1 прямоугольной формы с элементом связи 2 в форме четырёхлистника, представляющие из себя электрически соединенные друг с другом посредством переходных отверстий проводящие полигоны, сформированные на противоположных сторонах фольгированного диэлектрика 3, компланарную линию 4, выход которой соединен с одной стороны с первым выводом симметричного супрессора 5 (TVS Diode) с ультрамалой (~0,5 пФ) собственной емкостью, а с другой - со входом первого твердотельного СВЧ переключателя 6, аттенюатор 7, усилитель 8, в состав которого входят первый разделительный конденсатор 9, первый резистор 10, включенный по схеме с общим стоком полевой транзистор с управляющим p-n переходом 11, исток которого соединен с общим проводом через цепочку в виде последовательно соединенных второго резистора 12 и индуктивности 13, второй разделительный конденсатор 14, второй твердотельный переключатель СВЧ 15, выход которого подключен ко входу приемного устройства 16 с входным сопротивлением 50 Ом, а также обтекатель из диэлектрика 17, внутри которого размещается вибратор 1. Выход элемента связи 2 соединен со входом компланарной линии 4, второй вывод супрессора 5 подключен к общей шине. Комбинация встречно включенных первого 4 и второго 15 СВЧ переключателей образует два канала передачи сигнала, в первый из которых входит аттенюатор 7, а во второй-усилитель 8. Выбор того или иного канала осуществляется путем формирования управляющих сигналов 18 или 19 соответствующего уровня. Величина индуктивности выбирается таким образом, чтобы её резонансная частота, обусловленная собственной емкостью, была бы равна нижней границе рабочего диапазона частот антенны.

Геометрические параметры широкополосной антенны приведены на Фиг.2.

Широкополосная антенна работает следующим образом.

Устройство предназначено для работы в диапазоне частот f∈[f_Н, f_В], который разбит на два поддиапазона, разделенных частотой f_Г. Выбор того или иного поддиапазона осуществляется с помощью управляющих сигналов 18 и 19.

В обоих случаях электромагнитная волна наводит э.д.с. на выходе вибратора 1, которая через элемент связи 2 и компланарную линию 4 поступает на вход первого СВЧ переключателя 6.

В случае, если устройство сконфигурировано для работы в верхнем поддиапазоне f∈[f_Г, f_В], сигнал со входа первого СВЧ переключателя 6 проходит на вход аттенюатора 7 и далее через второй переключатель 15 поступает на вход приемного устройства 16.

При выборе же нижнего поддиапазона сигнал со входа первого СВЧ переключателя 6 проходит на вход усилителя 8, который представляет собой истоковый повторитель, и далее через второй переключатель 15 поступает на вход приемного устройства 16.

Эффективность работы устройства широкополосной антенны будем рассматривать на примере конкретной реализации антенны для диапазона частот 23-6300 МГц, с f_Г =700 МГц.

В верхнем поддиапазоне качество работы широкополосной антенны определяется степенью её согласования с трактом 50 Ом. Обратимся к графику (Фиг. 3), из которого видно, что КСВ антенны в верхнем поддиапазоне не превышает двух единиц, что является допустимой величиной (см., например, Дементьев А.Н., Трефилов Д.Н., Трефилов Н.А. Антенны СВЧ: Учеб. Пособие, часть 1. – М.: МИРЭА - Российский технологический университет, 2019. – с. 26).

В нижнем поддиапазоне, где геометрические параметры антенны существенно меньше длины волны, её выходное сопротивление приобретает резко выраженный емкостной характер (см., например, Айзенберг Г. З. Коротковолновые антенны.-М.: Связьиздат, 1962. -862 с.), что препятствует непосредственному включению антенны в тракт с волновым сопротивлением 50 Ом. Для того, чтобы не допустить существенного падения коэффициента передачи сигнала необходимо использовать усилитель с малой входной емкостью и высоким активным сопротивлением, каковым и является истоковый повторитель. Как известно (см., например, Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том I: Пер. с нем.-М.: ДМК Пресс, 2008. -с. 292) входная емкость истокового повторителя на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом всецело определяется суммой емкости затвор-сток С_ЗС транзистора и емкости монтажа. В рабочем образце антенны использован транзистор 2SK3557, для которого величина С_ЗС=2,9 пФ. В этом случае зависимость коэффициента передачи сигнала K(f) с выхода антенны на вход приемное устройство 16 от частоты для нижнего поддиапазона будет иметь вид, представленный на Фиг. 4. Из графика (Фиг. 4) следует, что величина K(f) остается практически неизменной в указанном диапазоне. Для сравнения в поле Фиг. 4 приведен аналогичный график, если антенна была бы подключена непосредственно к тракту 50 Ом. Во втором случае наблюдается существенный спад величины K(f).

Таким образом, из сказанного выше следует, что коэффициент перекрытия предлагаемой широкополосной антенны составляет величину

f_В/ f_Н≈270.

К тому же выполнение приемного устройства на одной плате с полотном антенны, устройством согласования и двухканальным устройством передачи сигналов способствует снижению массогабаритных характеристик панорамного обнаружителя-пеленгатора в целом.

Использование: изобретение относится к радиотехнике, а именно к технике антенн, и может использоваться в составе панорамного обнаружителя-пеленгатора, расположенного на малогабаритных мобильных платформах, например, на борту беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Технический результат: расширение рабочего диапазона частот антенны при одновременном снижении массогабаритных показателей панорамного обнаружителя-пеленгатора в целом. Сущность: антенна содержит вертикальный вибратор прямоугольной формы с элементом связи в форме четырёхлистника, представляющие из себя электрически соединенные друг с другом посредством переходных отверстий проводящие полигоны, сформированные на противоположных сторонах фольгированного диэлектрик, выход элемента связи через последовательно соединенные компланарную линию и коммутатор поддиапазонов работы антенны подключен ко входу приемного устройства с входным сопротивлением 50 Ом. Коммутатор в свою очередь образован встречно включенными первым и вторым СВЧ переключателями, которые формируют два канала передачи сигнала, в первый из которых входит аттенюатор, а во второй - истоковый повторитель. Благодаря указанному выполнению антенны достигается существенное расширение рабочего диапазона частот устройства. 4 ил.

Широкополосная антенна, содержащая заключенный в выполненный из диэлектрического материала обтекатель, вертикальный вибратор прямоугольной формы, выполненный в виде проводящего полигона на фронтальной стороне фольгированного диэлектрика, первый и второй резисторы и индуктивность, отличающаяся тем, что в ней дополнительно введены: второй полигон вибратора на тыльной стороне фольгированного диэлектрика, элемент связи вибратора с компланарной линией в форме четырехлистника, сформированный в виде проводящего полигона на обеих сторонах фольгированного диэлектрика, причем все полигоны электрически соединены друг с другом посредством переходных отверстий, компланарная линия, супрессор (TVS Diode) с ультрамалой собственной емкостью, первый СВЧ переключатель, аттенюатор, первый конденсатор, включенный по схеме с общим стоком полевой транзистор с управляющим p-n переходом, второй конденсатор, второй СВЧ переключатель, выход которого подключен ко входу приемного устройства с входным сопротивлением 50 Ом, вход первого СВЧ переключателя, соединенного с общим проводом через супрессор, подключен к выходу компланарной линии, его первый выход соединен через аттенюатор с первым входом второго СВЧ переключателя, соответственно второй выход первого СВЧ переключателя подключен ко входу усилителя, а именно к верхней обкладке первого конденсатора, нижняя обкладка которого соединена с одной стороны с общей шиной через первый резистор, а с другой - с затвором транзистора, исток которого подключен как к общему проводу через цепочку в виде последовательно соединенных второго резистора и индуктивности , так и к верхней обкладке второго конденсатора, нижняя обкладка последнего подсоединена ко второму входу второго СВЧ переключателя, высота вибратора лежит в диапазоне (0,95-1,05)⋅λ_В, его ширина - (1,2-1,35)⋅λ_В, высота элемента связи составляет ~λ_В/4, а его ширина (1,1-1,2)⋅λ_В, ширина лепестков ~0,1⋅λ_В, где λ_В - длина волны, соответствующая верхней границе частотного диапазона, величина индуктивности выбирается таким образом, чтобы её резонансная частота, обусловленная её собственной емкостью, была бы равна нижней границе рабочего диапазона частот антенны.