Плоская антенна

Изобретение относится к антенной технике, а именно к плоским (печатным) малогабаритным антеннам, предназначено для использования в качестве элемента фазированной антенной решетки с широким сектором сканирования. Техническим результатом является создание плоской антенны, преимущественно дециметрового диапазона длин волн с малыми габаритами, увеличенной шириной диаграммы направленности в Е плоскости и увеличенного сектора сканирования. Антенна выполнена в виде прямоугольной металлической пластины (1) или пластины фольгированного диэлектрика с прорезанным L-образным пазом (2), установлена перпендикулярно проводящему экрану (3) и соединена с ним гальванически. Ширина части паза (2), параллельная проводящему экрану (3), в два раза меньше ширины части паза (2), перпендикулярной проводящему экрану (3), и длина паза (2) равна 1/3 длины волны. В пластине (1) размером 1/3-1/5 длины волны выполнены по обе стороны от L-образного паза (2) прямоугольные отверстия (4, 5), причем расстояние от кромок отверстий (4, 5) до прилегающих к ним кромок пластины (1) или паза (2) составляет 2-3 ширины части паза (2), перпендикулярной проводящему экрану (3), и перпендикулярные кромки пластины (1) соединены с соответствующими кромками отверстий (4, 5) щелевыми линиями (6, 7) шириной 0,5-1,5 мм. Оплетка коаксиального кабеля соединена с проводящим экраном (3), а внутренняя жила соединена с частью паза (2), параллельного проводящему экрану, от конца паза (2) на расстоянии 1/4-1/3 длины паза (2). 3 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике, а именно к плоским (печатным) малогабаритным антеннам, и предназначено для использования в качестве элемента фазированной антенной решетки с широким сектором сканирования. Изобретение может использоваться как самостоятельная антенна в системах радиосвязи, телевидения и радиовещания.

Известен элемент вибраторной фазированной антенной решетки (Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов / В.С.Филиппов, Л.И.Пономарев, А.Ю.Гринев и др.; Под ред. Д.И.Воскресенского - М.: Радио и связь, 1994. - 592 с.), представляющий собой систему взаимно ортогональных вибраторных излучателей (турникетный излучатель) с раздельным возбуждением, который можно использовать для получения круговой поляризации. В конструкцию вибраторного излучателя, расположенного над проводящим экраном, помимо диполя входят симметрирующее устройство и подводящая линия. Для изготовления вибраторных излучателей можно использовать печатную технологию.

Недостатками вибраторного излучателя являются малая ширина диаграммы направленности в Е-плоскости (менее 90°) и увеличенные размеры, достигающие 1/2 длины волны. Для расширения диаграммы направленности плечи вибраторов располагают под углом друг к другу 60°÷90°, однако, и в этом случае ширина диаграммы направленности не превышает 100°.

Известна плоская пазовая антенна - Notch-Antenna (W.A.Johnson. The notch aerial and some application to aircraft radio installation. Proc. ГЕЕ, 102, Pt.B, 1955, p.211-218). Антенна выполнена в виде металлической пластины, в которой выполнена щель, возбуждаемая пересекающей микрополосковой линией или коаксиальным кабелем. Щель имеет постоянную ширину или может быть плавно расходящейся - Vivaldi Notch-Antenna (Tan-Huat Chio and D.H.Schabert. Parameter Stady and Design of Wide-Band Widescan Dual-Polarized Tapered Slot Antenna Arrays. IEEE Trans. Antennas and Propagat., vol.48, June 2000, p.879-886.). Конструкция таких антенн позволяет использовать их в качестве элементов турникетного излучателя.

Недостатком таких пазовых антенн является малая ширина диаграммы направленности и увеличенные размеры, достигающие 1/2 длины волны и более, что не позволяет ее использовать в качестве элемента фазированных антенных решеток с сектором сканирования более 90°.

Наиболее близкой по технической сущности является выбранная за прототип плоская пазовая антенна (W.A.Johnson. The notch aerial and some application to aircraft radio installation. Proc. FEE, 102, Pt.B, 1955, p.211-218), выполненная в виде прямоугольной металлической пластины, установленной перпендикулярно проводящему экрану и одной широкой кромкой гальванически соединенной с экраном; посредине другой широкой кромки перпендикулярно ей прорезана щель (паз) длиной приблизительно 1/4 длины волны, возбуждаемая коаксиальным кабелем, оплетка которого присоединена к одной кромке паза, а внутренний провод - к другой кромке, на расстоянии от конца паза 1/5÷1/3 его длины.

Плоская пазовая антенна с постоянной шириной паза имеет более широкую диаграмму направленности, достигающую 120°÷130°, если она используется как самостоятельная антенна или размещена над проводящим экраном размером меньше 1/2 длины волны, однако при размерах проводящего экрана более длины волны (что всегда выполняется в антенных решетках) в ее диаграмме направленности появляется глубокий провал в направлении нормали к проводящему экрану.

Основной технической задачей предложенного решения является создание плоской (печатной) антенны, преимущественно дециметрового диапазона длин волн, пригодной для тиражирования печатным способом или штамповкой, обладающей малыми габаритами (не более 1/3 длины волны), увеличенной шириной диаграммы направленности в Е плоскости (до 150°) и сектором сканирования 120°.

Основная техническая задача достигается тем, что в плоской антенне, выполненной в виде прямоугольной металлической пластины или пластины фольгированного диэлектрика с прорезанным пазом, возбуждаемым коаксиальным кабелем, установленной перпендикулярно проводящему экрану и соединенной с ним гальванически, согласно предложенному решению паз выполнен L-образным, при этом ширина части паза параллельная проводящему экрану, в два раза меньше ширины части паза перпендикулярной проводящему экрану, и длина паза равна 1/3 длины волны, а в металлической пластине размером 1/3-1/5 длины волны выполнены по обе стороны от паза прямоугольные отверстия, причем расстояние от кромок отверстий до прилегающих к ним кромок пластины или паза составляет 2-3 ширины части паза, перпендикулярной проводящему экрану, и перпендикулярные проводящему экрану кромки пластины соединены с соответствующими кромками отверстий щелевыми линиями шириной 0,5-1,5 мм, причем оплетка коаксиального кабеля соединена с проводящим экраном, а внутренняя жила соединена с частью паза, параллельной проводящему экрану, от конца паза на расстоянии 1/4-1/3 длины паза.

Пример конкретного выполнения

На фиг.1 показано конструктивное решение заявляемой плоской антенны, на фиг.2 - диаграмма направленности в плоскости Е плоских антенн, установленных над металлическим экраном с размером 2×2 длины волны, на фиг.3 - турникетная антенна с независимым возбуждением.

Предлагаемая плоская антенна состоит из плоской металлической пластины 1 или пластины из фольгированного диэлектрика размером 1/3×1/5 длины волны, которая разделена L-образным пазом 2. Пластина 1 установлена перпендикулярно проводящему экрану 3 и соединена с ним гальванически. По обе стороны от паза 2 выполнены отверстия 4 и 5 (выполняющие функции рамочных излучателей), которые соединены с перпендикулярными кромками пластины 1 щелевыми линиями 6 и 7. Внутренняя жила 8 коаксиального кабеля соединена с проводящим экраном 3.

Плоская антенна работает следующим образом.

Рассмотрим работу антенны в режиме передачи. Поле излучения пазовой антенны представляет собой суперпозицию поля, создаваемого самим пазом 2 (магнитным током), и поля, создаваемого электрическими токами, затекающими на кромки пластины 1. При размещении пазовой антенны над проводящим экраном 3 больших размеров создаваемое ею поле можно рассматривать как суперпозицию полей, создаваемых пазовой антенной и ее зеркальным изображением. Вследствие того, что электрические токи зеркального изображения противофазны токам антенны, образуются минимумы диаграммы направленности в направлении нормали к проводящему экрану 3 и диаграмма направленности пазовой антенны, размещенной над проводящим экраном 3 (перпендикулярно ему), становится похожей на диаграмму направленности магнитного монополя. Рамочные излучатели синфазно возбуждаются через отрезки щелевых линий 6, 7 токами, затекающими на кромки пластины 1. Диаграмма направленности двух синфазных рамочных излучателей имеет максимум в направлении нормали к проводящему экрану. Таким образом, диаграмма направленности предлагаемой антенны формируется из диаграммы направленности пазового излучателя и диаграммы направленности рамочных излучателей. Форма результирующей диаграммы направленности определяется амплитудно-фазовыми соотношениями полей, излучаемых пазом 2 и рамочными излучателями. Для обеспечения равномерной формы диаграммы направленности амплитуды полей, возбуждаемых пазом 2 и рамочными излучателями, должны быть приблизительно равны, а разность фаз между ними должна быть близка к π/2. Соотношение амплитуд определяется, в основном, размерами отверстий 4, 5 и шириной отрезков щелевых линий 6, 7, а разность фаз определяется, в основном, местоположением отрезков щелевых линий 6, 7. При уменьшении ширины отрезков щелевых 6, 7 линий уменьшается эффективность возбуждения рамочных излучателей, вследствие чего увеличивается провал в диаграмме направленности; при увеличении ширины - уменьшается ширина диаграммы направленности, т.к. в этом случае основной вклад вносит поле излучения рамочных излучателей. Изменение местоположения отрезков щелевых линий 6, 7 приводит к нарушению симметрии формы диаграммы направленности. Согласование предлагаемой антенны обеспечивается выбором места подключения несимметричного фидера к части паза 2, параллельной проводящему экрану 3.

Работоспособность и преимущества заявляемого изобретения по сравнению с прототипом были подтверждены испытанием макета предлагаемой плоской антенны. Испытания показали, что плоская антенна размером 1/3×1/5 длины волны, установленная на квадратном проводящем экране со стороной 2 длины волны, в полосе частот не менее 10% имеет ширину диаграммы направленности по уровню половинной мощности не менее 130° в Е-плоскости и не менее 120° в Н-плоскости при КСВН не более 2 при возбуждении 50-омным фидером (фиг.2).

Предлагаемую плоскую антенну можно использовать в качестве элемента турникетного излучателя, который в свою очередь может быть использован в качестве элемента фазированной антенной решетки с круговой поляризацией. На фиг.3 показана турникетная антенна с независимым возбуждением каждого рамочного излучателя, расположенного ортогонально. Турникетная антенна обеспечивает возможность излучения радиоволн круговой поляризации с коэффициентом эллиптичности не менее 0.7 в рабочем секторе углов.

Плоская антенна, выполненная в виде прямоугольной металлической пластины или пластины фольгированного диэлектрика с прорезанным пазом, возбуждаемым коаксиальным кабелем, установленная перпендикулярно проводящему экрану и соединенная с ним гальванически, отличающаяся тем, что паз выполнен L-образным, при этом ширина части паза, параллельная проводящему экрану, в два раза меньше ширины части паза, перпендикулярной проводящему экрану, и длина паза равна 1/3 длины волны, а в металлической пластине размером 1/3-1/5 длины волны выполнены по обе стороны от паза прямоугольные отверстия, причем расстояние от кромок отверстий до прилегающих к ним кромок пластины или паза составляет 2-3 ширины части паза, перпендикулярной проводящему экрану, и перпендикулярные проводящему экрану кромки пластины соединены с соответствующими кромками отверстий щелевыми линиями шириной 0,5-1,5 мм, причем оплетка коаксиального кабеля соединена с проводящим экраном, а внутренняя жила соединена с частью паза, параллельной проводящему экрану, от конца паза на расстоянии 1/4-1/3 длины паза.