Фрактальный излучатель

Изобретение относится к антенной технике, а более конкретно к печатным антеннам, и предназначено для построения бортовых антенных решеток радиотехнических комплексов спутникового базирования.

Известна конструкция симметричного вибраторного излучателя [1 - Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны.ю М.: Энергия, 1975, с. 335-337]. Полуволновой вибратор состоит из двух плеч [1 - рис. 9-1а, с. 336], сделанных из тонкого проводника, либо на печатной плате. В случае необходимости излучения в одном направлении вибратор расположен над металлическим экраном на расстоянии четверть длины волны от него. Также известны вибраторы с большой шириной плеч и настроечными шлейфами [1 - рис. 9-26, с. 336], имеющими несколько лучшее согласование.

Недостатками данного излучателя являются большая длина плеч, узкая рабочая полоса частот.

Известна конструкция фрактальной антенны [2 - Guterman et al, Microstrip Fractal Antennas for Multistandard Terminals // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2004. vol. 3. pp.351-354]. Излучатель выполнен на печатной плате, помещенной над металлическим экраном. Кромка металлизации имеет фрактальную форму (кривая Коха). Один край антенны закорочен на экран, второй край соединен с коаксиальным кабелем. Благодаря, использованию фрактальной структуры размер антенны уменьшен на 23,8% в сравнении с прямоугольной печатной антенной с прямыми (нефрактальными) кромками.

Недостатками этого излучателя являются узкая рабочая полоса антенны (1,74-2,2 ГГц по уровню коэффициента стоячей волны (КСВ), равного 3), антенна излучает в обе полусферы и является ненаправленной, кроме того, антенна принимает только одну поляризацию.

Наиболее близким по сущности к изобретению является излучатель [3 - U.S. Patent US 6,842,141 В2, Jan. 11, 2005], взятый за прототип. Конструкция излучателя [3 - Fig. 20A, sheet 16 of 26] содержит сплошной металлический экран и верхнюю диэлектрическую плату (диэлектрическая проницаемость 3,55) с четырьмя металлическими плечами в форме четырехугольников с одним прямым углом, обращенным к центру излучателя, и противоположными вершинами, вытянутыми радиально. Между экраном и платой помещен вспененный диэлектрик. По крайней мере, два коаксиальных фидера присоединены к внутренним углам противоположных пар излучающих элементов. Рабочая полоса по уровню КСВ 2.5 составляет 1,75:1 [3 - Fig. 21B, sheet 17 of 26].

Недостатком этого излучателя является то, что антенна имеет высокий профиль, высота излучателя над экраном 0,172 длины волны на нижней границе рабочего диапазона частот. Кроме того, антенна имеет большой вес и узкую полосу согласования.

Задачей, на решение которой направлено изобретение является уменьшение массы и размеров излучателя, что является основным требованием, предъявляемым к устройствам, размещаемым на борту радиотехнических комплексов спутникового базирования, расширение полосы рабочих частот излучателя, получение однонаправленного излучения и равномерного коэффициента усиления в рабочей полосе частот излучателя.

Для решения поставленной задачи предлагается фрактальный излучатель, содержащий две параллельные металлизированные диэлектрические платы одна над другой, из них верхняя металлизированная диэлектрическая плата крестообразной формы с четырьмя вибраторными плечами в слое металлизации и экран соединены через симметрирующее устройство, состоящее из двух ортогонально соединенных металлизированных диэлектрических плат с проводящими полосковыми линиями, с одной стороны прикрепленными к точке возбуждения плеч вибраторов, с другой стороны - к экрану и питающей линии, при этом металлизированные диэлектрические платы симметрирующего устройства перпендикулярны к экрану.

Согласно изобретению, кромка металлизации плеч вибраторов имеет фрактальную структуру, верхняя металлизированная диэлектрическая плата обрезана по контуру металлизации с небольшим отступом, в металлизации ее и экрана выполняется перфорация отверстиями разного размера, в металлизации верхней металлизированной диэлектрической платы выполнены узкие поперечные щели, на симметрирующем устройстве выполнены индуктивные элементы, при этом общая длина плеч пары вибраторов составляет не более 1/2λ, расстояние между металлизацией верхней металлизированной диэлектрической платы и экраном составляет не более 1/7λ, где λ - длина волны в свободном пространстве для нижней границы рабочей полосы частот фрактального излучателя.

Проведенный сравнительный анализ заявленного изобретения и прототипа показывает, что прототип изготовлен на плате со сплошной металлизацией, что делает излучатель прототипа более тяжелым, а в предлагаемом изобретении используются тонкие печатные платы со сделанной в них перфорацией. Прототип имеет высоту профиля 0,172λ, а у предлагаемого изобретения расстояние между металлизацией верхней металлизированной диэлектрической платы и экраном составляет не более 1/7λ, что делает его более компактным. У прототипа экран изготовлен из металлической пластины, а в предлагаемом изобретении в качестве экрана используется печатная металлизированная диэлектрическая плата, что снижает массу излучателя. У прототипа пространство между плечами вибратора и экраном заполнено вспененным диэлектриком, а у предлагаемого изобретения между плечами вибраторов и экраном находится воздух, что делает предлагаемое изобретение более легким.

Техническим результатом изобретения является получение излучателя меньшей массы, уменьшенных размеров, с более широкой рабочей полосой частот, с однонаправленным излучением и равномерным коэффициентом усиления излучателя в его рабочей полосе частот.

Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого фрактального излучателя из литературы неизвестно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На чертеже показан внешний вид фрактального излучателя.

Фрактальный излучатель состоит из левого плеча 1, правого плеча 2, верхнего плеча 3 и нижнего плеча 4, выполненных на металлизированной диэлектрической плате 5 (верхняя плата) крестообразной формы. Применение фрактальной кромки металлизации расширяет диапазон рабочих частот за счет уменьшения активной части входного сопротивления фрактального излучателя. Для уменьшения веса фрактального излучателя в металлизации металлизированной диэлектрической верхней платы 5 сделана перфорация круглыми отверстиями разного диаметра, а также есть отверстия 6 вытянутой шестиугольной формы. Кроме того, для уменьшения веса металлизированной диэлектрической платы 5, она обрезана по контуру металлизации с небольшим отступом от кромки металлизации. Металлизированная диэлектрическая плата 5 через две одинаковые ортогонально соединенные металлизированные диэлектрические платы, являющиеся симметрирующим устройством 7, соединена с экраном 8, выполненным на еще одной тонкой металлизированной диэлектрической плате, в которой сделана перфорация отверстиями 9 для уменьшения веса экрана. Металлизированные диэлектрические платы симметрирующего устройства 7 перпендикулярны к экрану 8. Симметрирующее устройство 7 содержит индуктивные элементы для уменьшения емкостной составляющей входного импеданса, что приводит к получению более широкополосного согласования. На обратной стороне металлизированных диэлектрических плат симметрирующего устройства 7 находится полосковая линия переменной ширины (не показана), необходимая для согласования фрактального излучателя с питающей линией (не показана), расположенной на экране 8. Питающая линия, в свою очередь, соединена с коаксиальным разъемом (не показан), необходимым для снятия или подачи сигнала. Металлизированные диэлектрические платы симметрирующего устройства 7, благодаря наличию специальных вырезов, вставляются друг в друга таким образом, что образуют единое целое. Общая длина плеч пары вибраторов составляет не более 1/2λ, а расстояние между металлизацией верхней металлизированной диэлектрической платы 5 и экраном 8 составляет не более 1/7λ, где λ - длина волны в свободном пространстве для нижней границы рабочей полосы частот фрактального излучателя.

Фрактальный излучатель изготавливается на верхней металлизированной диэлектрической плате 5 методом фотолитографии, отверстия на металлизированной диэлектрической плате 5 и экране 8 изготавливаются методом фрезерования. Металлизированная диэлектрическая плата 5 присоединяется к симметрирующему устройству 7 методом пайки. Экран 8 присоединяется ко второму концу симметрирующего устройства 7 методом пайки. Учитывая легкость и малую толщину используемых печатных плат, метод соединения пайкой является достаточно надежным для обеспечения прочности требуемой для применения на земной орбите.

Наличие у предлагаемого излучателя фрактальной структуры кромки и перфорации в печатных платах значительно снижает массу фрактального излучателя в сравнении с прототипом. Симметрирующее устройство 7 позволяет сбалансировать сигналы, идущие на противоположные плечи вибраторов. Индуктивные элементы, расположенные на симметрирующем устройстве 7, позволяют дополнительно расширить рабочую полосу частот фрактального излучателя, что дает уровень КСВ менее 2,5 в полосе частот от 1,02 F₀ до 2,6 F₀. Благодаря наличию поперечных щелей в металлизации плеч вибраторов, снижена неравномерность коэффициента усиления фрактального излучателя до перепада в 2,1 дБ во всей рабочей полосе частот фрактального излучателя и всего лишь 1,25 дБ в полосе частот от 1,1 F₀ до 2,6 F₀, где F₀ - нижняя частота рабочей полосы частот фрактального излучателя. Наличие четырех плеч 1, 2, 3 и 4 позволяет принимать либо линейные поляризации, либо круговую поляризацию. Развязка между ортогонально расположенными плечами фрактального излучателя составляет менее -20 дБ.

Фрактальный излучатель служит для приема или передачи сверхвысокочастотного излучения. В режиме передачи на один или оба коаксиальных разъема подается СВЧ сигнал в рабочем диапазоне частот. Затем сигнал проходит через симметрирующее устройство 7, и попадает на излучающую структуру на металлизированной диэлектрической плате 5, в ней возбуждаются высокочастотные токи, создающие электромагнитное излучение. В режиме приема происходит обратный процесс, когда излучение принимается из окружающего пространства, а съем сигнала происходит через высокочастотный разъем. Экран 8 ограничивает диаграмму направленности фрактального излучателя так, что излучение не распространяется назад за экран. Симметрирующее устройство 7 расширяет рабочую полосу и позволяет возбуждать противоположные плечи фрактального излучателя синфазно. Благодаря наличию двух ортогональных пар плеч фрактальный излучатель может работать на двух линейных поляризациях либо на круговой.

Для проверки работоспособности предлагаемого устройства был изготовлен макет, испытания которого показали совпадение полученных характеристик с расчетными, в том числе удельная масса фрактального излучателя как элемента антенной решетки составила 1,6 кг/м². Рабочая полоса частот макета фрактального излучателя составила от 1 F₀ до 2.6 F₀, где F₀ - нижняя частота рабочей полосы фрактального излучателя. Получено широкополосное согласование в полосе частот от 1 F₀ до 2.6 F₀ по уровню КСВ 2,5.