Плоский широкополосный вибратор
FLAT BROADBAND VIBRATOR

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к антеннам, и может быть использовано, в широкополосных приемо-передающих устройствах, техники связи, радиолокационных устройствах, в телевидении, в измерительной технике.
При создании различных устройств (связи, радиолокации, телевидения) возникает задача создания антенн с линейной поляризацией, работающих в широком диапазоне частот. Антенна должна иметь малые габариты и небольшой вес, низкую стоимость и высокую технологичность. Такими свойствами обладают вибраторные антенны.
Известны различные типы антенн, имеющие широкий диапазон рабочих частот, например, спиральные и логопериодические. Спиральные антенны являются слабо- и средненаправленными широкополосными антеннами эллиптической поляризации (О.А. Юрцев, А.В. Рунов, А.Н. Казарин. Спиральные антенны, М., Сов. Радио, 1974, стр.4). Для получения линейной поляризации используют спиральные антенны с двусторонней намоткой (О.А. Юрцев, А.В. Рунов, А.Н. Казарин. Спиральные антенны, М., Сов. Радио, 1974, стр. 8). Спиральные антенны с двусторонней намоткой имеют сложную конструкцию, увеличенные габариты и вес. Логопериодические антенны также имеют сложную конструкцию, увеличенные габариты и вес. Это обусловлено тем, что «одновременно (на заданной волне) в работе участвует только часть антенны (А.Л. Драпкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов. Антенно-фидерные устройства, М. Сов. Радио, 1974, стр. 171).
Вибраторные антенны имеют малые габариты и небольшой вес, низкую стоимость и высокую технологичность.
Известна антенна, взятая за отдаленный аналог заявляемого изобретения, выполненная в виде симметричного полуволнового вибратора, содержащего плечи в виде пластин и жесткую коаксиальную линию, во внешнем проводнике которой выполнены две симметрирующие четвертьволновые щели, причем конец одной из образованных при этом частей внешнего проводника жесткой коаксиальной линии и ее внутренний проводник присоединены к первой пластине, а конец другой части к второй пластине, металлическую плату, установленную на второй пластине, выполненной с полукруглым вырезом, охватывающим внутренний проводник жесткой коаксиальной линии (авт. св. СССР №1163395 МПК H01Q 9/04, 9/16, опубл. 23.06.85).
Данное устройство имеет малые габариты и небольшой вес.
Однако это устройство имеет сложную конструкцию, следовательно, низкую технологичность и высокую стоимость. Кроме того, у данного вибратора малый диапазон рабочих частот. Это объясняется тем, что вибраторы имеют сильную частотную зависимость входного импеданса (увеличивающуюся при уменьшении размеров антенны), что затрудняет их согласование в широкой полосе частот. Вследствие этого нижняя граница полосы пропускания короткой антенны однозначно определяется нижней границей полосы согласования. Сверху полоса пропускания ограничена, как правило, искажением формы диаграммы направленности. При использовании электрического диполя это происходит, если его размеры становятся больше 1,25 длины волны (А.Л. Драпкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов. Антенно-фидерные устройства, М. Сов. Радио, 1974, стр. 149).
Для расширения рабочего диапазона частот применяют «толстые» вибраторы. В этом случае удается осуществить хорошее согласование фидера с вибратором в более широком диапазоне частот (М.С. Жук, Ю.Б. Молочков. Проектирование антенно-фидерных устройств, изд. «Энергия» М.-Л. 1966. с. 112-115). Однако диапазон рабочих частот таких вибраторов, т.е. диапазон частот, в которых вибратор может работать без перенастройки, остается небольшим (А.Л. Драпкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов. Антенно-фидерные устройства, М. Сов. Радио, 1974, стр. 148).
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи с сходством выполняемой технической задачи, является антенна, выполненная в виде плоского вибратора, содержащего симметрирующее устройство, присоединенное к плечам вибратора, причем плечи вибратора выполнены в виде равнобедренных треугольников (Антенны УКВ, Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терёшин, часть 1, М. Связь, 1977. Стр. 185). Симметрирующее устройство для такой антенны может иметь разное исполнение, например, в виде U-колена (Антенны, Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов, М., «Энергия», 1975 стр. 338).
Данное устройство имеет малые габариты и небольшой вес, простую конструкцию и, как следствие, низкую стоимость и высокую технологичность.
Однако это устройство имеет малый диапазон рабочих частот. В ходе эксперимента удалось получить ширину полосы, равную 34% при КСВН не более 1,5.
Технический результат предлагаемого технического решения - увеличение диапазона рабочих частот при сохранении малых массо-габаритных показателей и высокой технологичности.
Указанный технический результат достигается тем, что в антенне, имеющей вид плоского широкополосного вибратора, содержащий плечи вибратора и симметрирующее устройство типа U-колена, присоединенное к плечам вибратора с помощью соединительной линии, состоящей из двух параллельных проводников, плечи вибратора выполнены в виде трапеции, у которой боковые стороны имеют разную длину, основания параллельны проводникам соединительной линии, длинная боковая сторона обращена к U-колену, проводник соединительной линии имеет непосредственный гальванический контакт с плечом вибратора по всей длине короткого основания трапеции, причем конец проводника соединительной линии лежит на одной прямой с короткой боковой стороной трапеции, плоскость проводников соединительной линии лежит в одной плоскости с плоскостью плеч вибраторов.
Сравнение заявляемого устройства с известными показывает, что заявляемое устройство имеет следующие отличительные особенности:
- форма плеч вибратора (плечи вибратора выполнены в виде трапеции, у которой боковые стороны имеют разную длину);
- расположение плеч вибратора (длинная боковая сторона обращена к U-колену);
- расположение и форма соединительной линии (соединительная линия имеет непосредственный гальванический контакт с плечом вибратора по всей длине короткого основания трапеции, причем конец проводника соединительной линии лежит на одной прямой с короткой боковой стороной трапеции).
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемого к нему чертежа, на котором изображено следующее:
На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:
1. - симметрирующее устройство;
2. - плечи вибратора;
3. - соединительные линии;
4. - конец проводника соединительной линии.
Плоский широкополосный вибратор содержит симметрирующее устройство 1 типа U-колена, присоединенное к плечам вибратора 2 с помощью соединительной линии 3, состоящей из двух параллельных проводников. Плечи вибратора 2 выполнены в виде трапеции, у которой боковые стороны имеют разную длину, длинная боковая сторона обращена к U-колену, а основания параллельны проводникам соединительной линии 3. Соединительная линия 3 имеет непосредственный гальванический контакт с плечом вибратора 2 по всей длине короткого основания трапеции, причем конец проводника 4 соединительной линии 3 лежит на одной прямой с короткой боковой стороной трапеции. Плоскость проводников соединительной линии 3 лежит в одной плоскости с плоскостью плеч вибраторов 2.
Плоский широкополосный вибратор работает следующим образом. СВЧ сигнал поступает на симметрирующее устройство 1 и разделяется на две равные части, которые по проводникам соединительной линии 3 в противофазе поступают на плечи вибратора 2. При этом плечи вибратора 2 возбуждаются синфазно токами одинаковой амплитуды. Выполнение плеч вибратора 2 в виде трапеции, у которой боковые стороны имеют разную длину, длинная боковая сторона обращена к U-колену, а основания параллельны проводникам соединительной линии 3, а также выполнение соединительной линии 3 таким образом, что конец проводника 4 лежит на одной прямой с короткой боковой стороной трапеции, приводят к возникновению сложной картины токов, формирующих электромагнитное поле, которое обеспечивает необходимую степень согласования в широкой полосе рабочих частот.
Использование плеч вибратора в виде плоской трапеции и проводников соединительной линии в виде плоских проводников, плоскость которых лежит в одной плоскости с плоскостью плеч вибраторов, позволяет получить широкий диапазон рабочих частот при сохранении малых массо-габаритных показателей и высокой технологичности.
На дату подачи заявки был создан макет широкополосного вибратора для работы в дециметровом диапазоне волн. Плечи вибратора выполнены в виде плоской трапеции (толщина материала равна 0,5 мм), отношение длин боковых сторон трапеции равно 0,88, отношение длин оснований 0,12, ширина проводника соединительной линии равна 3 мм. Симметрирующее устройство выполнено с использованием симметричной линии, толщина внутреннего проводника линии равна 0,5 мм. Размеры вибратора вместе с симметрирующим устройством в герметичном исполнении составляют 165×145×10 мм.
Макет широкополосного вибратора имеет рабочую полосу частот по уровню КСВН=1,5 порядка 47% от средней частоты (по уровню КСВН=2 порядка 53% от средней частоты).
Широкополосный вибратор может быть выполнен на основе высокодобротной линии (Вольман В.И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств, 1982, М., «Радио и связь», стр. 103) с использованием технологии химического травления, что еще более уменьшает стоимость и повышает технологичность изготовления.
Использование данного изобретения позволит увеличить диапазон рабочих частот при сохранении малых массо-габаритных показателей и высокой технологичности.