Директорная антенна

Изобретение может быть использовано в широкополосных системах радиосвязи, телекоммуникаций и радиолокации для построения антенных устройств в планарном печатном исполнении. Технический результат заключается в создании компактной планарной директорной антенны с более широкой относительной полосой рабочих частот. В предлагаемой антенне, содержащей прямоугольную диэлектрическую подложку (1) с лицевой (2) и обратной (3) поверхностями, имеющую излучающую (4) и неизлучающую (5) малые, а также неизлучающие (6, 7) большие стороны, питающий коаксиально-микрополосковый разъем (8), имеющий внешний металлический цилиндрический корпус (9) и изолированный от него диэлектрической втулкой (10) металлический центральный штырь (11), установлен на неизлучающей малой стороне (5) подложки (1). При этом возбудитель (12), линейные директоры (14, 15, 16), а также питающая (17) и вспомогательная (18) микрополосковые линии выполнены на лицевой (2) поверхности подложки (1), а рефлектор (13) - на обратной (3) поверхности. Это обеспечивает при существенно меньших по сравнению с известными устройствами более чем двукратное увеличение относительной полосы рабочих частот по уровню входного коэффициента стоячей волны напряжения, равному 1.5. Приведены относительные размеры элементов антенны. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в системах радиосвязи, радиолокации и телекоммуникаций ультракоротковолнового (УКВ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов.

Актуальность разработки таких антенн обусловлена все возрастающими требованиями к директорным антенным устройствам упомянутых радиотехнических систем в отношении их широкополосности, направленности, массогабаритных показателей и технологичности. Для обеспечения предъявляемых ныне в УКВ и СВЧ диапазонах волн требований необходимо реализовать компактные печатные директорные антенны с относительной полосой рабочих частот не менее 10% по уровню входного коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) питающего коаксиального кабеля K_ст.U не более 1.5 (K_ст.U≤1.5) или по уровню двукратного уменьшения коэффициента направленного действия (КНД).

Известны классические директорные антенны, описанные в работе: Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. "Антенны УКВ", М.: Связь, 1977, часть 2, глава 8. Эти антенны содержат активный вибратор (возбудитель), один рефлектор и несколько директоров. Рефлектор и ближайший к возбудителю директор при правильной их настройке усиливают поток электромагнитной энергии в направлении директора. Усиление потока энергии в указанном направлении создает благоприятные условия для возбуждения второго директора при надлежащей его настройке. Второй директор создает дополнительное усиление потока энергии в направлении директоров и тем самым обеспечивает благоприятные условия для возбуждения последующих директоров. При надлежащем выборе параметров директорией антенны большая часть энергии генератора, питающего возбудитель коаксиальным кабелем, излучается в пространство в направлении директоров. Анализ, выполненный с использованием метода наведенных электродвижущих сил (ЭДС), показывает, что для обеспечения эффективного излучения необходимо, чтобы рефлектор имел индуктивную реактивную составляющую полного сопротивления, а директоры - емкостную. В результате длина рефлектора всегда превышает длину директоров, а длина возбудителя находится между упомянутыми длинами. Конкретные величины расстояний между элементами директорией антенны определяются в результате решения соответствующей системы уравнений, формируемой согласно методу наведенных ЭДС при условии, что как рефлектор, так и все директоры являются пассивными, а активным (т.е. запитанным от генератора) является только возбудитель. В результате после установки рефлектора, возбудителя и директоров на несущую металлическую стрелу с необходимыми расстояниями между ними антенна излучает максимум мощности в направлении директоров, которое является главным (основным) направлением излучения антенны, при хорошем согласовании питающего коаксиального кабеля с генератором. Противоположное направление (в сторону рефлектора) характеризуется незначительным уровнем излучения, являющегося нежелательным (паразитным) и характеризующим помехозащищенность директорией антенны при ее работе на прием.

Однако при изменении длины волны изменяются полные комплексные сопротивления возбудителя, рефлектора и директоров, вследствие чего в последних изменяются амплитуды и фазы наведенных токов, что в итоге, после пересчета их к возбудителю, нарушает согласование в целом директорией антенны с питающим коаксиальным кабелем. Как отмечается в работе: Кочержевский Г.Н. "Антенно-фидерные устройства", М.: Связь, 1972, стр.242, классическая директорная антенна может использоваться в полосе частот примерно (5...10)% от основной (номинальной частоты), и ее широкополосность уменьшается с увеличением числа директоров (длины директорией антенны). Кроме того, в качестве активного вибратора (возбудителя) такой антенны обычно применяется петлевой вибратор с входным сопротивлением на номинальной частоте порядка 290 Ом. Питание такого вибратора осуществляется по весьма громоздкой схеме трансформации напряжения полуволновым отрезком передающей линии (кабеля) с относительной полосой рабочих частот всей схемы не более (5...7)%.

Таким образом, описанные в работе Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.А. "Антенны УКВ", часть 2, глава 8, классические директорные антенны характеризуются относительной полосой рабочих частот не более (5...7)%, что не удовлетворяет современным требованиям к директорным антеннам по широкополосности. К тому же возбудителями этих антенн являются петлевые вибраторы, которые весьма громоздки и неудобны для возбуждения в случае планарного исполнения директорией антенны по технологии полосковых печатных плат на двухсторонне фольгированных органических диэлектриках с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r≈2...4.

Известна также трехэлементная директорная антенна, описанная в АС СССР №1124394, Н 01 Q 19/30, 1984 год, содержащая пассивный рефлектор, активный петлевой вибратор и пассивный директор, которые выполнены из цилиндрических проводников, расположенных параллельно друг другу в одной плоскости и прикрепленных в своих средних точках к металлическому несущему стержню. В этой антенне для повышения коэффициента направленного действия размеры и взаимное расположение рефлектора, петлевого вибратора и директора выбираются в интервалах длин, указанных в отличительной части формулы упомянутого изобретения, а именно: длина пассивного рефлектора (0.482-0.485)λ, длина активного петлевого вибратора (0.492-0.495)λ, длина пассивного директора (0.442-0.445)λ, расстояние между пассивным рефлектором и активным петлевым вибратором (0.149-0.150)λ, расстояние между активным петлевым вибратором и пассивным директором (0.245-0.246)λ, где λ - рабочая длина волны. В результате описанная директорная антенна характеризуется величиной КНД порядка 10 дБ. Однако по сути дела рассмотренная конструкция антенны является одним из вариантов классических многоэлементных директорных антенн, описанных в упоминавшейся первой работе Айзенберга Г.З., Ямпольского В.Г., Терешина О.А. "Антенны УКВ", часть 2, глава 8, и ей присущи все ограничения, свойственные таким антеннам.

Таким образом, описанная в АС СССР №1124394 директорная антенна, характеризующаяся относительной полосой рабочих частот не более (5...7)%, не сможет найти применения в более широкополосных радиотехнических системах, а при использовании тонкопленочной технологии или технологии печатных плат такая конструкция труднореализуема.

Известна также директорная антенна, описанная в АС СССР №1241326, H 01 Q 19/30, 1986 год, содержащая активный петлевой вибратор, директоры, установленные на стреле антенны, и рефлектор, состоящий из трех параллельных элементов, один из которых установлен на стреле, а два других расположены симметрично относительно стрелы антенны и плоскости, перпендикулярной стреле. В этой антенне для увеличения помехозащищенности в рабочей полосе частот соответствующие продольные размеры элементов антенны выбираются из интервалов длин, указанных в отличительной части формулы упомянутого изобретения, а именно: длина каждого из двух элементов одинаковой длины равна l_k=0.5λ₁, где λ₁ - длина волны, соответствующей частоте f₁,

а длина элемента, установленного на стреле антенны, равна l_g=0.5λ₂, где λ₂ - длина волны, соответствующей частоте f₂,

Δf - ширина рабочего диапазона частот, f_н - нижняя частота рабочего диапазона частот, f_ср - средняя частота рабочего диапазона частот. При этом уровень "заднего" излучения (а следовательно, и помехозащищенность) директорией антенны уменьшается (увеличивается) за счет того, что более короткие элементы рефлектора эффективно работают на верхней частоте рабочего диапазона, а более длинный элемент рефлектора - в нижней части рабочего диапазона частот. Однако и эта конструкция антенны является одним из вариантов многоэлементных классических директорных антенн, описанных в упомянутой первой работе "Антенны УКВ".

Таким образом, описанная в АС СССР №1241326 директорная антенна характеризуется относительной полосой рабочих частот порядка (5...7)% и вряд ли найдет применение в широкополосных радиотехнических системах. К тому же и эта антенна не может быть реализована в планарном исполнении по технологии гибридных интегральных схем или полосковых печатных плат на плоской диэлектрической заготовке, одна из поверхностей которой должна быть полностью или частично облицована фольгой, надежно соединенной электрически с корпусом прибора (объекта установки) по всей поверхности прилегания фольги.

В этом отношении от всех вышеупомянутых антенн выгодно отличается директорная антенна, описанная в патенте США №6307524, U.S. C1. 343-795, H 01 Q 19/30, 2002 год, которая в оригинале названа "Яги-антенна" по фамилии одного из двух авторов (а именно: S.Uda, H.Yagi), исследовавших этот тип антенн в 20-х годах прошлого столетия. [В англоязычной литературе используются и другие названия антенн такого типа: "антенна Уда-Яги", или "антенна Яги-Уда", или "квази-Яги антенна", см., например, работу: Sazonow D.M. "Microwave circuits and antennas". - M.: Mir, 1990, page 362, которая является переводом на английский язык известной отечественной работы: Сазонов Д.M. "Антенны и устройства СВЧ". - M.: Высшая школа, 1988].

Эта антенна содержит диэлектрическую подложку, имеющую ближний и дальний концы, на одной из сторон которой сформированы печатные J-образный возбудитель (управляющий элемент), а также один или несколько директоров в позициях, расположенных между дальним концом подложки и J-образным возбудителем. Печатный рефлектор (отражающий элемент) сформирован на другой стороне подложки в позиции, расположенной между ближним концом подложки и J-образным возбудителем. Антенна содержит также микрополосковую линию передачи, сформированную на той же стороне подложки, что и возбудитель, в позиции над рефлектором. Один конец этой линии соединен с J-образным возбудителем, а другой - с центральной жилой коаксиального кабеля, оплетка (наружный проводник) которого соединена с рефлектором. В результате подбора характеристических импедансов возбудителя, коаксиального кабеля и микрополосковой линии при условии, что геометрические размеры печатных директоров и J-образного возбудителя рассчитываются в результате решения соответствующей электродинамической задачи, описанная директорная антенна (Яги-антенна) формирует максимальное излучение в направлении директоров. При этом входной КСВН коаксиального кабеля, питающего антенну, остается меньше 1.5 (К_ст.U≤1.5) в относительной полосе частот, составляющей, по оценкам заявителя, 3% для числа директоров, равного трем. Оценка проводилась с использованием специализированного пакета прикладных программ электродинамического моделирования параметров антенн и микроволновых устройств "Microwave Office".

Таким образом, описанная в патенте США №6307524 директорная антенна (она же: "Яги-антенна"), хотя и характеризуется весьма малыми размерами и планарной компактной структурой, но имеет относительную полосу частот не более 5% (при одном директоре только !), что не удовлетворяет современным требованиям к директорным антеннам по широкополосности согласования.

И здесь нельзя не отметить тот факт, что одна и та же антенна даже таким известным специалистом в области антенн и устройств СВЧ, как Д.М.Сазонов, названа им в его книге "Антенны и устройства СВЧ", М.: Высшая школа, 1988 год как "директорная антенна" (см. рис.11.27 на стр.309), а в английском переводе этой же книги: Sazonow D.M. "Microwave circuits and antennas", M.: Mir, 1990, - как "Яги-Уда антенна" (см. Fig. 11.27 on a page 362). Это создает определенные трудности терминологического характера и порой приводит к недоразумениям. Поэтому в дальнейшем заявитель признает сложившиеся терминологические традиции и при изложении материала будет цитировать названия, термины, определения и формулировки такими, какими они записаны в оригиналах соответствующих работ. При этом целесообразно отметить, что существует еще одно отечественное название директорией антенны, а именно: антенна типа "волновой канал" (см. работу: Марков Г.Т., Сазонов Д.М. "Антенны". - М.: Энергия, 1975, раздел 12-5, стр.406). В упомянутой книге на этой же странице также отмечается, что "... иногда эти антенны называются антеннами Уда-Яги по имени их изобретателей".

Теперь рассмотрим более подробно директорную антенну, описанную в уже упоминавшейся работе Сазонов Д.М. "Антенны и устройства СВЧ", М.: Высшая школа, 1988, стр.309, рис.11.27 и являющуюся прототипом предлагаемого изобретения. Эта антенна содержит основную прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, имеющую излучающую и неизлучающую малые, а также неизлучающие большие стороны. Коаксиально-микрополосковый разъем, имеющий внешний металлический цилиндрический корпус и изолированный от него диэлектрической втулкой металлический центральный штырь, установлен на неизлучающей малой стороне подложки. Антенна содержит также вспомогательную прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, расположенную над основной подложкой у неизлучающей малой ее стороны. Размер одной стороны вспомогательной подложки совпадает с размером малой стороны основной подложки, а размер второй стороны определяется расстоянием от неизлучающей малой стороны основной положки до возбудителя (активного линейного вибратора). Возбудителем является параллельный малой стороне основной подложки узкий печатный проводник, состоящий из двух одинаковых половин, выполненных на обратной поверхности вспомогательной подложки вдоль стороны, противоположной разъему. Каждая из половин возбудителя соединена с началом отрезка двух связанных низкоомных (широких) полосковых линий, выполненного, например, травлением медной фольги с пробельных мест на обратной поверхности вспомогательной подложки и имеющего длину, равную четверти длины центральной волны рабочего диапазона. Этот отрезок переходит в сплошной участок металлизации, расположенный на оставшейся свободной обратной поверхности вспомогательной подложки. Фактически концы отрезка двух связанных низкоомных линий замыкаются накоротко этим сплошным участком металлизации, который, в свою очередь, после сборки антенны соединяется с внешним металлическим цилиндрическим корпусом коаксиально-микрополоскового разъема и через него - с корпусом объекта установки антенны (фактически - с "землею"). Лицевая сторона вспомогательной подложки не имеет каких-либо участков металлизации (полностью свободна от фольги).

На лицевой поверхности основной подложки вдоль малой излучающей стороны параллельно ей выполнены три пассивных линейных директора в виде узких печатных проводников, центральные точки которых соединены между собой гальванически узкой печатной перемычкой. Кроме того, на лицевой поверхности основной подложки вблизи малой неизлучающей стороны (где установлен разъем) выполнены питающая и вспомогательная микрополосковые линий. Обе линии расположены параллельно друг другу и проходят под серединами уже упомянутых связанных низкоомных линий отрезка, выполненного на обратной поверхности вспомогательной подложки. При этом начало питающей линии соединено с центральным штырем разъема, конец питающей линии соединен с началом вспомогательной микрополосковой линии, конец которой разомкнут (находится в состоянии холостого хода). Обратная сторона основной подложки полностью свободна от металлизации (фольги).

При сборке описанной антенны вспомогательная подложка лицевой своей поверхностью плотно (без воздушных зазоров) накладывается на лицевую поверхность основной подложки так, что малые стороны обеих подложек в зоне установки разъема совмещаются. В результате после механической фиксации (например, соединением "винт-гайка") обеих подложек формируется печатная директорная антенна, в которой в качестве пассивного рефлектора используется уже упомянутый сплошной участок металлизации на обратной поверхности вспомогательной подложки (см. позицию 2 на рис.11.27, б из вышеупомянутой работы "Антенны и устройства СВЧ" на стр.309). Число директоров может быть не только три, но и больше (до 10-ти), поскольку излучение упомянутой антенны направлено в сторону директоров (в направлении излучающей малой стороны основной подложки) и вследствие этого они последовательно довольно интенсивно возбуждаются. Для получения максимального коэффициента направленного действия (КНД) расстояния между директорами и длина каждого из них должны, как указывается на стр.309 упомянутой работы "Антенны и Устройства СВЧ", специально подбираться на заданной частоте с тем, чтобы выполнялись определенные соотношения между токами в вибраторах. Настроенная директорная антенна весьма чувствительна к изменению частоты. Поэтому, как отмечается на этой же стр.309, антенна является узкополосной - рабочая полоса частот при допустимом изменении КНД в два раза составляет несколько процентов.

Следует подчеркнуть, что относительно входного КСВН питающего коаксиального кабеля, подключаемого к разъему упомянутой антенны, в цитируемой работе Д.М.Сазонова ничего не говорится. Поэтому заявитель провел анализ изменения входного КСВН в полосе частот с использованием ЭВМ. В основу алгоритма этого анализа были положены материалы работы: "Антенны и устройства СВЧ", под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981, стр.204-205, рис.10.7. Использование этих материалов возможно по той причине, что в них детально анализировался фрагмент описываемой директорной антенны, образованный обратной поверхностью вспомогательной подложки и находящейся под ней лицевой поверхностью основной подложки, включающий в себя соответственно: разъем, сплошной участок металлизации (рефлектор), отрезок двух связанных низкоомных линий, возбудитель, основную и вспомогательную микрополосковые линии. Результаты анализа свидетельствуют о том, что рабочая полоса частот директорией антенны-прототипа по уровню К_ст.U≤1.15 составляет 4%. Этот результат соответствует заключению авторов работы "Антенны и устройства СВЧ", под ред. Д.И.Воскресенского, стр.205, предпоследний абзац: "Так как приведенная схема входной цепи может обеспечить только узкополосное согласование излучателя с линией передачи, весь расчет проводится на средней частоте. Полоса пропускания подобного излучателя составляет несколько процентов...".

Таким образом, выбранная в качестве прототипа директорная антенна хотя и характеризуется планарной компактной структурой, имеет относительную полосу рабочих частот несколько процентов (по-видимому, не больше 5%), что не удовлетворяет современным требованиям к планарным директорным антеннам по широкополосности.

Задачей предлагаемого изобретения является создание компактной планарной директорией антенны с более широкой относительной полосой рабочих частот.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известной директорной антенне, содержащей прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, имеющую излучающую и неизлучающую малые, а также неизлучающие большие стороны, коаксиально-микрополосковый разъем, имеющий внешний металлический цилиндрический корпус и изолированный от него диэлектрической втулкой металлический центральный штырь, линейный возбудитель, пассивные рефлектор и три линейных директора, питающую и вспомогательную микрополосковые линии, при этом возбудитель выполнен в виде параллельного малым сторонам подложки узкого печатного проводника, состоящего из двух идентичных половин, директоры выполнены в виде параллельных малым сторонам подложки сплошных узких печатных проводников, расположенных на лицевой поверхности подложки между возбудителем и излучающей ее стороной, рефлектор выполнен в виде расположенного между неизлучающей малой стороной подложки и возбудителем сплошного прямоугольного печатного проводника, у которого одна сторона совпадает с неизлучающей малой стороной подложки, противоположная сторона параллельна возбудителю, две другие стороны совпадают с частями неизлучающих больших сторон подложки, питающая и вспомогательная микрополосковые линии выполнены на лицевой поверхности подложки, причем начало питающей микрополосковой линии соединено с металлическим центральным штырем коаксиально-микрополоскового разъема, внешний металлический цилиндрический корпус которого соединен с рефлектором, возбудитель расположен на лицевой поверхности подложки, рефлектор выполнен на обратной поверхности подложки, при этом конец питающей микрополосковой линии соединен с одной из половин возбудителя, вторая половина которого соединена с началом вспомогательной микрополосковой линии, конец которой посредством сквозного металлизированного отверстия короткозамкнут на рефлектор, причем длина линейного возбудителя, равная размеру малой стороны подложки, составляет (0.449-0.452)λ, длина ближайшего к возбудителю пассивного линейного директора выбрана в пределах (0.422-0.432)λ, длина центрального пассивного линейного директора составляет (0.428-0.436)λ, длина ближайшего к излучающей малой стороне подложки пассивного линейного директора выбрана как (0.41-0.42)λ, длина вспомогательной микрополосковой линии составляет (0.51-0.52)λ, расстояние между пассивным рефлектором и линейным возбудителем выбрано в пределах (0.08-0.09)λ, расстояние между возбудителем и ближайшим к нему пассивным линейным директором составляет (0.18-0.19)λ, расстояние между пассивным линейным директором, ближайшим к возбудителю, и центральным пассивным линейным директором выбрано как (0.28-0.29)λ, расстояние между центральным пассивным линейным директором и пассивным линейным директором, ближайшим к излучающей малой стороне подложки, составляет (0.23-0.24)λ, где λ - длина центральной волны рабочего диапазона частот.

На фиг.1 изображена предлагаемая директорная антенна в трех проекциях, на фиг.2 - теоретическая и экспериментальная частотные характеристики входного коэффициента стоячей волны напряжения K_ст.U, на фиг.3 - экспериментальные диаграммы направленности антенны по мощности в плоскостях векторов напряженности магнитного и электрического полей на центральной частоте f₀=2.9 ГГц.

Предлагаемая директорная антенна (фиг.1) содержит прямоугольную диэлектрическую подложку 1 с лицевой 2 и обратной 3 поверхностями, имеющую излучающую 4 и неизлучающую 5 малые, а также неизлучающие большие 6, 7 стороны, коаксиально-микрополосковый разъем 8, имеющий внешний металлический цилиндрический корпус 9 и изолированный от него диэлектрической втулкой 10 металлический центральный штырь 11, линейный возбудитель 12, пассивные рефлектор 13 и три линейных директора 14, 15, 16, питающую 17 и вспомогательную 18 микрополосковые линии. При этом возбудитель выполнен в виде параллельного малым сторонам 4 и 5 подложки 1 узкого печатного проводника шириной W_B, состоящего из двух идентичных половин 19, 20, директоры 14, 15, 16 выполнены в виде параллельных малым сторонам 4 и 5 подложки 1 сплошных узких печатных проводников шириной соответственно W₁₄, W₁₅ и W₁₆. Возбудитель 12 выполнен на лицевой поверхности 2 подложки 1 на расстоянии S₁ от неизлучающей малой стороны 5. Величина S₁ равна половине длины центральной волны λ рабочего диапазона частот: S₁=λ/2. Это расстояние не имеет принципиального значения для излучения антенны, просто большая его величина ведет к неоправданным габаритам и массе антенны. Директоры 14, 15 и 16 выполнены на лицевой 2 поверхности подложки 1 между возбудителем 12 и излучающей малой 4 ее стороной. Рефлектор 13 выполнен в виде расположенного на обратной 3 поверхности подложки 1 между неизлучающей малой ее стороной 5 и возбудителем 12 сплошного прямоугольного печатного проводника с размерами L_B и S₂, у которого одна сторона (с размером L_B) совпадает с неизлучающей малой стороной 5 подложки, противоположная сторона (также с размером L_B) параллельна возбудителю 12, две другие стороны (с размерами S₂) совпадают с частями неизлучающих больших сторон 6 и 7 подложки. При этом размер S₂ всегда меньше размера S₁:S₂<S₁. Питающая 17 и вспомогательная 18 микрополосковые линии шириной соответственно W₁ и W₂ выполнены на лицевой 2 поверхности подложки 1, причем начало 21 питающей микрополосковой линии 17 соединено с металлическим центральным штырем 11 коаксиально-микрополоскового разъема 8, а ее конец 22 соединен с одной из половин 19 возбудителя 12. Вторая половина 20 возбудителя 12 соединена с началом 23 вспомогательной микрополосковой линии 18, конец 24 которой посредством сквозного металлизированного отверстия 25 короткозамкнут на рефлектор 13. Внешний металлический цилиндрический корпус 9 разъема 8 соединен с рефлектором 13. Это соединение можно выполнить различными способами. Чаще всего оно выполняется с использованием металлического холоднотянутого профиля 26, имеющего в поперечном сечении форму буквы "Т" с неодинаковыми горизонтальными полочками, закрепляемого на подложке 1 с помощью, например, нескольких винтов 27, гаек 28 и шайб 29. При этом профиль плотно прилегает к рефлектору 13, обеспечивая надежное гальваническое соединение. При необходимости можно принять дополнительные конструкторские меры по обеспечению надежности этого соединения в процессе эксплуатации. Кроме того, следует учитывать, что профиль 26 и рефлектор 13 образуют конденсатор, в котором диэлектриком являются весьма тонкие окисные слои на прилегающих проводящих поверхностях рефлектора и профиля. Поэтому на частотах рабочей полосы печатной директорией антенны (где, как правило: λ<30 см) этот конденсатор имеет пренебрежимо малое по модулю емкостное реактивное сопротивление и не оказывает существенного влияния на параметры антенны. Сам разъем 8 обычно ввинчивается по резьбе в профиль 26 по месту установки так, чтобы его центральный штырь 11 был приподнят над лицевой поверхностью 2 подложки 1 на величину порядка 0.2-0.4 мм. После ввинчивания место соединения разъема 8 и профиля 26 пропаивается либо непосредственно, либо по предварительно нанесенному паяемому металлическому покрытию. В качестве примера можно указать герметизированный коаксиально-микрополосковый разъем типа СРГ-50-751-ФВ. На заключительном этапе сборки заявляемой антенны выполняется гальваническое соединение штыря 11 с началом 21 питающей микрополосковой линии 17. Это соединение рекомендуется выполнить гибкой перемычкой 30 из фольги толщиной 20-25 мкМ, припаиваемой к штырю 8 и началу 21 линии 17 (см., например, работу: Бушминский И.П., Морозов Г.В. "Технологическое проектирование микросхем СВЧ". - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001 г.).

Для обеспечения направленного излучения заявляемой директорией антенны и согласования ее с питающим коаксиальным кабелем (на фиг.1 кабель условно не показан), подключаемом к разъему 8, принципиальное значение имеют размеры и взаимное расположение пассивного рефлектора 13, линейного возбудителя 12, пассивных линейных директоров 14, 15, 16 и вспомогательной микрополосковой линии 18, которые выбираются из соотношений:

- длина L_B линейного возбудителя, равная размеру малых сторон 4, 5 подложки 1 (0.449-0.452)λ;

- длина L₁₄ ближайшего к возбудителю 12 пассивного линейного директора 14 (0.422-0.432)λ;

- длина L₁₅ центрального пассивного линейного директора 15 (0.428-0.436)λ;

- длина L₁₆ ближайшего к излучающей малой стороне 4 подложки 1 пассивного линейного директора 16 (0.41-0.42)λ;

- длина L* вспомогательной микрополосковой линии 18, отсчитываемая по средней линии от ее начала 23 до конца 24 (0.51-0.52)λ;

- расстояние S₃ между кромкой пассивного рефлектора 13 и средней линией линейного возбудителя 12 (0.08-0.09)λ;

- расстояние S₄ между возбудителем 12 и ближайшим к нему пассивным линейным директором 14, отсчитываемое от средних линий (0.18-0.19)λ;

- расстояние S₅ между пассивным линейным директором 14, ближайшим к возбудителю 12, и центральным пассивным линейным директором 15, отсчитываемое от средних линий (0.28-0.29)λ;

- расстояние S₆ между центральным пассивным линейным директором 15 и пассивным линейным директором 16, ближайшим к излучающей малой стороне 4 подложки 1, отсчитываемое от средних линий (0.23-0.24)λ, где λ - длина центральной волны рабочего диапазона частот. При этом расстояние S₇ между средней линией директора 16 и кромкой излучающей малой стороны 4 подложки 1 практически не влияет на излучение и согласование директорией антенны и выбирается из конструктивно-технологических требований так, чтобы выполнялось условие: S₇>W₁₆/2. В заявляемой директорией антенне также выполняется условие:

На излучение [на параметры диаграммы направленности (ДН)] и согласование заявляемой антенны практически не влияют также ширины W_B, W₁₄, W₁₅, W₁₆ линейного возбудителя 12 и линейных директоров 14, 15, 16, так как их величины выбираются согласно материалов работы "Антенны и устройства СВЧ" / Под ред. Д.И.Воскресенского, М.: Радио и связь, 1981, стр.188 так, чтобы обеспечивались условия:

В этом случае диаграмма направленности ленточного вибратора принимается такой же, как и для бесконечно тонкого проволочного (цилиндрического) вибратора. Фактически это означает, что для обеспечения условий (2) ширины возбудителя 12 и директоров 14, 15 и 16 можно назначать, исходя лишь из конструкторско-технологических ограничений, таких как: степень адгезии узких печатных проводников к подложке, стабильность реализации назначенных ширин по длине печатных проводников и другие. Поэтому можно рекомендовать выполнить линейный возбудитель 12 и линейные директоры 14, 15 и 16 одинаковой ширины, исходя из требований унификации:

Толщина Н диэлектрической подложки 1, являющейся несущей деталью директорией антенны, также, как правило, существенно не влияет на ДН заявляемой антенны и учитывается в основном при расчете длин L_B и L₁₄, L₁₅, L₁₆ возбудителя 12 и директоров 14, 15, 16 соответственно (см. работу: "Антенны и устройства СВЧ" / Под ред. Д.И.Воскресенского, М.: Радио и связь, 1981, стр.189). Поэтому в качестве подложки 1 рекомендуется выбрать стандартные листовые фольгированные диэлектрики с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r и толщиной Н равными:

Принцип действия заявляемой директорией антенны состоит в следующем.

Пусть к началу 21 питающей микрополосковой линии 17 через коаксиально-микрополосковый разъем 8 от генератора подводится сверхвысокочастотный сигнал, амплитуда которого остается неизменной в широкой полосе частот. Этот сигнал, дойдя до конца 22 питающей микрополосковой линии 17, возбуждает половину 19 возбудителя 12. Вторая половина 20 возбудителя 12 возбуждается за счет переменных токов смещения, возникающих в окружающем возбудитель 12 диэлектрическом пространстве. Поскольку толщина Н диэлектрической подложки 1 весьма мала, можно считать, что диэлектриком, окружающем возбудитель 12, является воздух с относительной диэлектрической проницаемостью, близкой к единице: . В результате электромагнитное излучение возбудителя 12 будет концентрироваться в направлении директоров 14, 15 и 16 (то есть в направлении излучающей малой стороны 4 подложки 1). Этому способствует наличие рефлектора 13, выполненного в виде расположенного между неизлучающей малой стороной 5 подложки 1 и возбудителем 12 сплошного прямоугольного печатного проводника с размерами L_B×S₂. Рефлектор выполнен на обратной 3 поверхности подложки 1 и соединен электрически с корпусом 9 коаксиально-микрополоскового разъема 8.

Электромагнитная волна, созданная в окружающем пространстве возбудителем 12, дойдя до ближайшего к возбудителю пассивного линейного директора 14, приводит к появлению на его проводящей металлической поверхности поверхностного тока проводимости I₁₄(x₁₄), который распределен вдоль координаты x₁₄ по длине директора 14 по закону, близкому к синусоидальному:

где I_П14 - амплитуда тока проводимости в пучности (максимуме), k=2π/λ - волновое число. Поверхностный ток проводимости на поверхности директора 14 создает вторичное электромагнитное поле, которое интерферирует с первичным полем возбудителя 12, формируя максимум их суммарного излучения в направлении излучающей малой стороны 4 подложки 1 (то есть в направлении последующих директоров 15 и 16) лишь при вполне определенном расстоянии S₄ между возбудителем 12 и директором 14. При этом собственное комплексное сопротивление директора 14 пересчитывается к клеммам питания возбудителя 12, образованным концом 22 питающей микрополосковой линии 17 и началом 23 вспомогательной микрополосковой линии 18. Если бы не было последующих директоров 15 и 16, то согласование возбудителя 12 (или, что то же, всей директорией антенны в целом) со сверхвысокочастотным генератором обеспечивалось бы подбором расстояний S₃, S₄ и длин L_B, L₁₄, L*. Но сформировавшаяся бы диаграмма направленности антенны характеризовалась бы в этом случае слишком большими углами , по уровню половинной мощности в плоскостях векторов напряженности электрического и магнитного полей излучения. Иными словами, направленность антенны была бы недостаточной и ее коэффициент направленного действия D был бы мал.

Для обеспечения коэффициента направленного действия, требуемого в современных системах радиосвязи и радиолокации, в заявляемой антенне задействованы второй и третий пассивные линейные директоры 15 и 16. Число директоров может быть и больше трех. В этом случае направленность антенны возрастает, но ее настройка становится весьма трудоемкой, так как приходится регулировать слишком большое количество расстояний и размеров. Опыт практического использования директорных антенн показал, что при трех директорах удается обеспечить требуемую направленность антенны при приемлемой трудоемкости изготовления и настройки в печатном исполнении. При этом директоры 15 и 16 расположены в зоне, где концентрируется суммарное электромагнитное излучение возбудителя 12 и ближайшего к нему директора 14. В результате в директорах 15 и 16 наводятся поверхностные токи проводимости I₁₅(x₁₅) и I₁₆(x₁₆), которые распределены по соответствующим координатам х₁₅ и х₁₆ вдоль этих директоров также по закону, близкому к синусоидальному:

где I_П15, I_П16 - амплитуды поверхностных токов проводимости в пучностях (максимумах). Электромагнитное излучение этих токов, интерферируя с электромагнитным излучением тока возбудителя и поверхностного тока I₁₄(_x14) [формула (5)], формирует суммарное итоговое электромагнитное излучение в целом заявляемой антенны. При этом собственные комплексные сопротивления пассивных линейных директоров 15 и 16 также пересчитываются к клеммам питания возбудителя 12. В результате сверхвысокочастотный генератор "ощущает" на входе разъема 8 итоговое сопротивление Z_A=R_A+jX_A, которое в общем случае является комплексным. Но за счет подбора всех ключевых размеров антенны удается минимизировать реактивную составляющую Х_A в рабочей полосе частот до уровня, когда |Х_A| составляет (3...5)% от R_A.

Таким образом, входное сопротивление Z_A директорией антенны в рабочей полосе частот будет практически вещественным: Z_A≈R_A. При этом формируется диаграмма направленности с хорошими направленными свойствами в направлении излучающей малой стороны 4 подложки 1.

Выбор ключевых размеров антенны, оказывающих существенное влияние на ее согласование в полосе частот Δf, осуществляется по алгоритму поиска экстремума целевой функции F_Ц многих переменных, где в качестве этих переменных фигурируют ключевые размеры. Целевая функция F_Ц формируется как сумма двух безразмерных величин. Первой величиной является модуль коэффициента отражения |Г_A| антенны, а второй величиной является число, обратное коэффициенту D направленного действия:

Сами величины |Г_A| и D рассчитываются с использованием методов интегральных уравнений и наведенных электродвижущих сил, описанных в работах:

- "Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн" / Б.А.Панченко, С.Т.Князев, Ю.Б.Нечаев и др. - М.: Радио и связь, 2002. - 256 с.;

- Чебышев В.В. "Микрополосковые антенны и решетки в слоистых средах". - М.: Радиотехника, 2003. - 104 с.: илл.

В процессе алгоритмизации вычислений распределения поверхностных токов проводимости, определяемые уравнениями (5) и (6), служат адекватными начальными приближениями.

В результате нахождения минимума целевой функции (7) методом Пауэлла заявляемая директорная антенна при использовании диэлектрика ФАФ - 4 (ε_r=2.5) толщиной H=1.5 мм характеризуется следующими существенно влияющими на излучение электромагнитного поля размерами, указанными на фиг.1 и нормированными к длине центральной волны λ рабочего диапазона частот или толщине подложки Н:

Совокупность этих размеров минимизирует реактивную составляющую входного сопротивления Z_A антенны, причем кроме обеспечения требуемых размеров для компенсации реактивной составляющей Х_A вторая половина 20 линейного возбудителя 12 соединена с началом 23 вспомогательной микрополосковой линии 18, конец 24 которой посредством сквозного металлизированного отверстия 25 короткозамкнут на рефлектор 13 (фиг.1). При этом, в отличие от прототипа, рефлектор 13 расположен значительно ближе к возбудителю 12, чем достигается сокращение продольного размера L. К тому же в предлагаемой директорией антенне питающая 17 и вспомогательная 18 микрополосковые линии расположены над сплошным рефлектором 13 и, в отличие от прототипа, соединены соответственно с половинами 19 и 20 возбудителя 12. Это способствует поддержанию условий эффективной минимизации реактивной составляющей Х_A входного сопротивления в более широкой относительной полосе частот, достигающей 10%. При этом входной K_ст.U антенны, связанный с |Г_A| соотношением

остается в указанной относительной полосе частот Δf/f₀ ниже уровня 1.5 (K_ст.U≤1.5; фиг.2, позиция 31 - теоретическая характеристика).

Для экспериментальных исследований была изготовлена заявляемая директорная антенна с центральной частотой f₀=2.9 ГГц. Антенна реализована на диэлектрической подложке из материала ФАФ - 4 (ε_r=2.5) толщиной H=1.5 мм. Ключевые размеры антенны определялись из соотношений (8) и для составили (в миллиметрах):

В качестве коаксиально-микрополоскового разъема 8 (фиг.1) использовался стандартный герметизированный соединитель СРГ-50-751-ФВ.

Результаты экспериментальных исследований, выполненные на соответствующей аппаратуре, представлены на фиг.2 и фиг.3. Входной - K_ст.U заявляемой антенны (фиг.2, позиция 32 - штриховая линия, кружки) измерен с использованием индикатора КСВН "Я2Р-67" с блоком генератора качающейся частоты на диапазон 2-4 ГГц. Диаграмма направленности антенны измерена на частоте f₀=2,9 ГГц с использованием генератора "Г3-22" и универсального микровольтметра - усилителя "В6-4" и представлена на фиг.3 (позиция 33 - для плоскости xoz вектора напряженности магнитного поля ; позиция 34 - для плоскости yoz вектора напряженности электрического поля ). На этой же фигуре в позиции 35 указаны направления осей координат x, y, z и отсчета углов θ и ϕ используемой для построения совмещенной декартово-сферической системы координат.

Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о возможности реализации компактной планарной директорией антенны с относительной полосой рабочих частот Δf/f₀ по уровню K_ст.U=1.5 не менее 10%, что более чем в 2 раза лучше, чем у прототипа. При этом обратная поверхность 3 прямоугольной диэлектрической подложки 1 заявляемой антенны не содержит каких-либо печатных фрагментов, кроме сплошного печатного рефлектора 13, который соединяется гальванически с металлическим корпусом прибора ("землею") через проводящий металлический профиль 26. Это позволяет уверенно рекомендовать заявляемую директорную антенну для практического использования в широкополосных антенных системах связи, радиолокации и телекоммуникаций.

Директорная антенна, содержащая прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, имеющую излучающую и неизлучающую малые, а также неизлучающие большие стороны, коаксиально-микрополосковый разъем, имеющий внешний металлический цилиндрический корпус и изолированный от него диэлектрической втулкой металлический центральный штырь, линейный возбудитель, пассивные рефлектор и три линейных директора, питающую и вспомогательную микрополосковые линии, при этом возбудитель выполнен в виде параллельного малым сторонам подложки узкого печатного проводника, состоящего из двух идентичных половин, директоры выполнены в виде параллельных малым сторонам подложки сплошных узких печатных проводников, расположенных на лицевой поверхности подложки между возбудителем и излучающей ее стороной, рефлектор выполнен в виде расположенного между неизлучающей малой стороной подложки и возбудителем сплошного прямоугольного печатного проводника, у которого одна сторона совпадает с неизлучающей малой стороной подложки, противоположная сторона параллельна возбудителю, две другие стороны совпадают с частями неизлучающих больших сторон подложки, питающая и вспомогательная микрополосковые линии выполнены на лицевой поверхности подложки, причем начало питающей микрополосковой линии соединено с металлическим центральным штырем коаксиально-микрополоскового разъема, внешний металлический цилиндрический корпус которого соединен с рефлектором, отличающаяся тем, что возбудитель расположен на лицевой поверхности подложки, рефлектор выполнен на обратной поверхности подложки, при этом конец питающей микрополосковой линии соединен с одной из половин возбудителя, вторая половина которого соединена с началом вспомогательной микрополосковой линии, конец которой посредством сквозного металлизированного отверстия короткозамкнут на рефлектор, причем длина линейного возбудителя, равная размеру малой стороны подложки, составляет (0,449-0,452)λ, длина ближайшего к возбудителю пассивного линейного директора выбрана в пределах (0,422-0,432)λ, длина центрального пассивного линейного директора составляет (0,428-0,436)λ, длина ближайшего к излучающей малой стороне подложки пассивного линейного директора выбрана как (0,41-0,42)λ, длина вспомогательной микрополосковой линии составляет (0,51-0,52)λ, расстояние между пассивным рефлектором и линейным возбудителем выбрано в пределах (0,08-0,09)λ, расстояние между возбудителем и ближайшим к нему пассивным линейным директором составляет (0,18-0,19)λ, расстояние между пассивным линейным директором, ближайшим к возбудителю, и центральным пассивным линейным директором выбрано как (0,28-0,29)λ, расстояние между центральным пассивным линейным директором и пассивным линейным директором, ближайшим к излучающей малой стороне подложки, составляет (0,23-0,24)λ, где λ - длина центральной волны рабочего диапазона частот.