Диапазонная направленная антенна

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических системах различного назначения в качестве самостоятельной диапазонной антенны, либо в качестве элемента антенной решетки.

Известные антенные устройства, используемые в малогабаритных пеленгаторах (авт.св. №138277, H01Q 9/16, 16.06.1960, авт. св. №191647, H01Q 9/28, 15.02.1965, брошюра К. Харченко «УКВ-антенны». - М.: изд-во ДОСААФ, 1969, УДК 621.396.677.497).

Существенным недостатком этих антенн является относительно небольшой коэффициент усиления.

Наиболее близкой к изобретению является выбранная в качестве прототипа, диапазонная направленная антенна (патент RU 2076407 С1, H01Q 19/10, 27.03.1997, приоритет от 02.06.1994), содержащая металлическое зигзагообразное излучающее полотно, вырожденное в кольцо, заполненное двумя металлическими секторами с точками питания в их вершинах и с плоским экраном-рефлектором, в металлических секторах излучающего полотна выполнены вырезы в форме части сегментов, образованных дугами радиуса 0,18λ_max и хордами, проходящими на расстоянии 0,15λ_max от точки питания, а боковые поверхности одного металлического сектора соединены с зеркальными относительно них боковыми поверхностями другого металлического сектора сопротивлениями 100-200 Ом в точках, находящихся на расстоянии 0,15λ_max от точек питания, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона длин волн.

Существенным недостатком этой диапазонной направленной антенны является то, что согласование металлического зигзагообразного полотна с питающим кабелем достигается за счет поглощения части электромагнитной энергии в резисторах, что приводит к снижению коэффициента усиления.

Технической задачей изобретения является повышение коэффициента усиления антенны при сохранении рабочего диапазона частот диапазонной направленной антенны.

Задача достигается тем, что в диапазонную направленную антенну, содержащую металлическое зигзагообразное полотно на диэлектрической подложке, вырожденное в кольцо, заполненное двумя металлическими секторами и плоским экран-рефлектором, согласно изобретению введены стакан перехода от коаксиальной к копланарной линии, стакан заземления питающего коаксиального кабеля, копланарная линия с шириной центрального проводника 0,38 мм, зазором 0,2 мм, копланарный трансформатор сопротивления длиной 0,11λ_max с плавно меняющимися шириной центрального проводника от 0,38 до 0,19 мм и зазорами от 0,2 до 0,24 мм, диаметр излучающего полотна составляет 0,3λ_max, а щель металлического зигзагообразного полотна выполнена симметричными относительно центра антенны с общей осью симметрии вырезами в форме двух сегментов высотой 0,024λ_max окружности с диаметром 0,27λ_max, двумя секторами с углом 28° окружности с диаметром 0,23λ_max, двумя прямоугольниками высотой 0,06λ_max и шириной 0,16λ_max, опирающимися на ось симметрии меньшей стороной, диаметр экран-рефлектора равен диаметру диэлектрической подложки и составляет 0,38λ_max.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенная диапазонная направленная антенна отличается наличием новых элементов: стаканом перехода от коаксиальной к копланарной линии, стаканом заземления питающего коаксиального кабеля, копланарной линией с шириной центрального проводника 0,38 мм, зазором 0,2 мм, копланарным трансформатором сопротивления длиной 0,11λ_max с плавно меняющимися шириной центрального проводника от 0,38 до 0,19 мм и зазорами от 0,2 до 0,24 мм, диаметр металлического зигзагообразного полотна составляет 0,3λ_max, а щель металлического зигзагообразного полотна выполнена симметричными относительно центра антенны с общей осью симметрии вырезами в форме двух сегментов высотой 0,024λ_max окружности с диаметром 0,27λ_max, двумя секторами с углом 28° окружности с диаметром 0,23λ_max, двумя прямоугольниками высотой 0,06λ_max и шириной 0,016λ_max, опирающимися на ось симметрии меньшей стороной.

Таким образом, изобретение соответствует критерию «новизна».

Анализ известных технических решений (аналогов) в известной области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенные элементы известны, однако введение их в диапазонную направленную антенну указанным образом и с указанными связями позволяет обеспечить ей такое новое свойство, как снижение КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению) и повышение коэффициента усиления антенны при сохранении рабочего диапазона частот.

Изобретение имеет «изобретательский уровень», так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является «промышленно применимым», так как оно может быть использовано в различных областях радиосвязи.

Фиг. 1 - общий вид диапазонной направленной антенны, где обозначены:

1 - металлическое зигзагообразное полотно;

4 - щель;

5 - копланарная линия;

6 - копланарный трансформатор.

Фиг. 2 - вид сбоку диапазонной направленной антенны, где обозначены:

2 - диэлектрическая подложка;

3 - плоский экран-рефлектор;

7 - стакан перехода от коаксиальной к копланарной линии;

8 - коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом;

9 - стакан заземления.

Фиг. 3 - сравнительный график коэффициента усиления прототипа и изобретения.

Диапазонная направленная антенна содержит металлическое зигзагообразное полотно 1 (фиг. 1) на диэлектрической подложке 2 (фиг. 2), вырожденное в кольцо, заполненное двумя металлическими секторами, плоский экран-рефлектор 3 (фиг. 2), щель 4 (фиг. 1), копланарную линию 5 (фиг. 1), копланарный трансформатор 6 (фиг. 1), стакан перехода от коаксиальной к копланарной линии 7 (фиг. 2), стакан заземления 9 (фиг. 2) питающего коаксиального кабеля 8 (фиг. 2).

Диаметр металлического зигзагообразного полотна составляет 0,3λ_max. В металлическом зигзагообразном полотне выполнены копланарная линия 5 с шириной центрального проводника 0,38 мм, зазором 0,2 мм, копланарный трансформатор сопротивления 6 длиной 0,11λ_max с плавно меняющимися шириной центрального проводника от 0,38 до 0,19 мм и зазорами от 0,2 до 0,24 мм, щель 4 с симметричными относительно центра антенны с общей осью симметрии вырезами в форме двух сегментов высотой 0,024λ_max окружности с диаметром 0,27λ_max, двумя секторами с углом 28° окружности с диаметром 0,23λ_max, двумя прямоугольниками высотой 0,06λ_max и шириной 0,016λ_max, опирающимися на ось симметрии меньшей стороной, диаметр экран-рефлектора равен диаметру диэлектрической подложки и составляет 0,38λ_max, где λ_max - максимальная длина волны.

Диапазонная направленная антенна работает следующим образом.

Связанные электромагнитные колебания по коаксиальному кабелю 8, копланарной линии 5 и копланарному трансформатору 6 передаются в центр диапазонной направленной антенны, образованной металлическим зигзагообразным полотном 1 с щелью 4, при этом центральный проводник копланарного трансформатора 6 соединяется с одной стороной щели, а боковые проводники с другой.

Волновое сопротивление металлического зигзагообразного полотна 1 с щелью 4 изменением формы щели металлического зигзагообразного полотна подобрано так, что оно частично не согласовано с волновым сопротивлением копланарного трансформатора 6. В результате в копланарном трансформаторе 6 и копланарной линии 5 возникает обратная волна. Токи прямой волны из-за высокого сопротивления щели металлического зигзагообразного полотна 4 начинают распространяться по металлической поверхности антенны, сходясь в точке нулевого потенциала, при этом образуются сонаправленные токи, обеспечивающие излучение электромагнитной энергии.

Свободные колебания, излучаемые металлическим зигзагообразным полотном 1, распространяются в разные стороны от его поверхности. Часть свободных колебаний, отразившись от плоского экран-рефлектора 3, поступает обратно в металлическое зигзагообразное полотно 1, которое преобразует их в связанные колебания, интерферирующие с обратной волной в копланарном трансформаторе 6 и копланарной линии 5, так что происходит их взаимное подавление, в результате происходит согласование диапазонной направленной антенны.

Передача связанных электромагнитных колебаний от коаксиального кабеля 8 копланарной линии 5 происходит в точке нулевого потенциала диапазонной направленной антенны.

С помощью измерений установлено, что в рабочем диапазоне коэффициент усиления диапазонной направленной антенны выше коэффициента усиления прототипа.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить коэффициент усиления антенны при сохранении рабочего диапазона частот диапазонной направленной антенны.

Предлагаемая диапазонная направленная антенна была выполнена методом печати на материале FR-4 для приема сигналов в диапазоне частот от 2 до 5,8 ГГц. Коэффициент усиления предлагаемой диапазонной направленной антенны в диапазоне частот от 2 до 4,4 ГГц выше коэффициента усиления прототипа не менее чем на 1 дБ, а в диапазоне частот от 4,4 до 5,8 ГГц - не менее чем на 0,4 дБ.