Плоская антенна

Полезная модель относится к антенной технике, а именно к электрически коротким приемным антеннам и может применяться как плоские приемные антенны в радиосвязи и радиовещании на стационарных и движущихся объектах, к примеру, на автотранспорте и самолетах.
Известна конструкция антенны, состоящая из изолированной от остальной общивки части фюзеляжа самолета произвольной формы, например, в виде диска, который является рабочим электродом антенны. Под изолятором и рабочим электродом располагается проводящая ванна. Принятый сигнал через центральный электрод соединительной коаксиальной линии, проходящей через днище ванны, подается с рабочего электрода антенны на входной зажим антенного усилителя, внешний электрод этой линии является общим и соединяется с корпусом ( Watt А. D., VLF Radio Engineering. N.Y.: Pergamon., 1967,р. 576f).
К недостаткам антенны относятся необходимость выреза в общивке самолета, что снижает механическую прочность фюзеляжа, а использование проводящей ванны делает её объёмной, что затрудняет размещение такой антенны в местах с дефицитом внутреннего объема фюзеляжа. Предъявляются высокие требования к материалу изолятора и чистоте его поверхности для исключения гальванических токов утечки. Наличие значительных щунтирующих емкостей: в виде емкости между рабочим электродом и ванной, погонной емкости соединительной коаксиальной линии снижают действующую высоту антенны. Короткие электрические антенны имеют сильную частотную зависимость входного импеданса, что затрудняет их согласование с коаксиальной линией в широкой полосе частот.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой конструкции антенны является щелевая антенна, состоящая из рабочего электрода, представляющего из себя изолированную часть обшивки самолета, под ним изолированно располагается компенсирующий электрод и экранирующей ванны под электродами. Коаксиальный фидер через отверстие в ванне соединяет центральной жилой рабочий электрод с входом антенного усилителя, а внешним проводником, помещенного в экран и соединенного с корпусом, соединяет выход антенного усилителя с компенсирующим электродом, причём антенный усилитель выполнен в виде повторителя напряжения (А.С. СССР, N 1730701, от 02.04.1990г., С.Г. Долгополов. Щелевая антенна // Бюллетень Открьггия. Изобретения N 16, 1992г.).
В данной щелевой антенне применена компенсация емкостной и гальванической утечек между рабочим электродом и ванной, а также между центральным и внещним проводниками соединительной коаксиальной линии. Это достигается тем, что на компенсирующий электрод и внещний проводник
соединительной линии подаётся напряжение равное по амплитуде и фазе принимаемому сигналу.
К недостаткам прототипа относятся необходимость нарушения целостности обшивки самолета и наличие экранирующей ванны. При компенсации погонной емкости в экранированной коаксиальной соединительной линии её волновое сопротивление возрастает и становится индуктивным, что затрудняет согласование её концов как с рабочим, компенсирующим электродами с одной стороны, так и с входом, выходом повторителя напряжения с другой. Имеющиеся рассогласования значительно сужают частотную полосу приема щелевой антенны.
Задачей полезной модели является обеспечение частотной широкополосности приема и создание плоской и автономной конструкции антенны.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в конструкции антенны, содержащей соединенный с входом антенного усилителя рабочий электрод, расположенный под ним изолированно компенсирующий электрод, соединенный с выходом антенного усршителя, в отличие от прототипа рабочий и компенсирующий электроды подключены к антенному усилителю непосредственно и объединены вместе как отдельная плоская конструкция.
Подключение рабочего и компенсирующего электродов напрямую к входу и выходу антенного усилителя, соответственно, характеризует её как интегрированную, активную антенну. Это позволяет согласовать собственный емкостной импеданс рабочего электрода с входной цепью антенного усилителя в широкой полосе частот. С этой целью используется антенный усилитель имеюпщй малую входную емкость с большим входным и малым выходным сопротивлениями. Усиленный по мощности выходной сигнал с низкоомного выходного сопротивления усилителя подается коротким проводом на компенсирующий электрод безамплитудя и фазовых искажений относительно входного сигнала. Частотные ограничения в данном случае определяются в основном амплитудно-фазовыми зависимостями повторителя напряжения.
Использование компенсирующего электрода превышающего по размерам рабочий, позволяет более эффективно компенсировать емкость рабочего электрода даже при его расположении на проводящей плоскости противовеса. Эффективность приема определяется абсолютными и относительными размерами рабочего и компенсирующего электродов, а также входной емкостью усилителя. Интегрирование схемы усилителя в структуру электродов обеспечивает автономную конструкцию плоской антенны.
Па фигЛ, 2, 3 показаны варианты плоской антенны при различном её расположении относительно противовеса. Па фиг.1 при расположении антенны на проводящей плоскости противовеса, как накладная; на фиг.2 при её размещении на уровне противовеса, как скрытная встроенная; на фиг.З при удалении её от противовеса, как экранированная выносная.
компенсирующим электродом 2 и противовесом 3, например, в виде проводящей плоскости, расположены изоляторы 4. В непосредственной близости от рабочего 1 и компенсирующего 2 электродов расположен антенный усилитель 5, которой работает в режиме повторителя напряжения с большим входным сопротивлением Rex , малой входной емкостью Свх и малым выходным сопротивлением R эых  Рабочий 1 и компенсирующий 2 электроды короткими проводниками соединены с входом и выходом антенного усилителя 5, соответственно. Заземляется усилитель 5 либо непосредственно в месте его установки на противовес 3, либо через внешнюю оплетку коаксиального кабеля в другом месте.
На фиг,2 приведен вариант размещения рабочего 1, компенсирующего 2 электродов и усилителя 5 в углублении 3 проводящей плоскости противовеса, изолятор V обеспечивает их фиксацию в раскрыве углубления 3  Антенна становится скрытной и не выступающей за пределы противовеса с повышенной чувствительностью приема, по сравнению с фиг. 1. В этом варианте предпочтительнее форма компенсирующего электрода 2 с бортами по краям, при этом рабочий электрод 1 охватывается не только снизу, но и с торцов, чем обеспечивается защита от гальванических токов утечек, как по внешней, так и по внутренней поверхностям изолятора .
На фиг.З приведен вариант расположения антенны на удалении от противовеса. Здесь также целесообразно использовать компенсирующий электрод с бортами 2 под рабочим , причём высота бортов определяется конкретным требованием к экранировки. Рабочий электрод в этом случае будет нечувствительным как к источникам помех, так и к емкостным вариациям в его нижней полусфере, а чувствительность антенны в этом варианте будет максимальной.
В предлагаемой плоской антенне применена компенсация емкостной и гальванических утечек между рабочим электродом 1 и противовесом 3 фиг, 1. Это достигается тем, что с выхода антенного усилителя 5 на компенсирующий электрод 2 подается напряжение близкое по амплитуде и фазе напряжению на рабочем электроде 1, возбуждаемому на нем электрическим приемным полем. При этом рабочий 1 и компенсирующий 2 электроды становятся равнопотенциальными. Емкостные и гальванические токи между компенсирующим электродом 2 и противовесом 3 не влияют на эффективность приема, так как нагружают низкоомный выход усилителя 5.
Электрически короткие антенны имеют значительную частотную зависимость входного импеданса, что необходимо учитывать в их согласовании с входом усилителей. При этом нижняя граница полосы пропускания однозначно определяется нижней границей полосы согласования, а верхняя искажением формы диаграммы направленности, так в случае с электрическим диполем это происходит, если его размеры становятся больше 1,25 длины волны.
Определим условия согласования из требований широкополосности приёма. Напряжение, возникающее на рабочем электроде антенны с компенсацией lA- р , определяется его действующей высотой h. j и напряженностью принимаемого поля Е в его окрестности
Диапазон рабочих частот антенны определяется их интервалом в котором остается постоянным напряжение на входе приемника U н  подключенного через согласованный коаксиальный фидер с волновым сопротивлением рф к выходу антенного усилителя. Напряжение на согласованном выходе усилителя К ц определяется выражением ( Ю.И. Буянов, В.П. Смирнов, Активные антенны. Томский государственный педагогический университет, Томск , 1976г.)
lL,  ,)Con,f,
-/  п -ч/,-
где  Хр - импеданс рабочего электрода с компенсацией, электрически короткие антенны имеют  и характеризуются емкостным сопротивлением Z.-  -соел 1 С в - ёмкость, связанная с верхней полусферой рабочего
электрода при её компенсации в его нижней полусфере; 20х входной импеданс усилителя нагруженного на 0 ; K(i,4)- коэффициент передачи усилителя.
Поскольку /г  короткой антенны от частоты не зависит, то Ц н определяется зависимостями K((J, У) и .ау от частоты. Реализация усилителя с постоянной амплитудной зависимостью и отсутствием фазовых набегов в заданном диапазоне частот не представляет трудностей. Отсюда следует, что необходимо выполнить
..
Z-By. Для его выполнения требуется, чтобы Z р и ZBX имели одинаковую
частотную зависимость. Так как Z.p имеет емкостной характер, то и Z вх усилителя должен быть емкостным. Максимальная полоса пропускания достигается при Z/yx/- p  о соответствует условию С5 Сб х . Это легко достигается при использовании на входе усилителя полевых транзисторов, имеющих Сдх (1-10)пфи большое входное сопротивление.
Реализация эффективного приема на плоских структурах электродов достигается при J- /Г  пределах (0,5-0,8) и зависит от Dp , Q, и С ВХ усилителя. Использование малогабаритных схем усилителей, печатных технологий при изготовление структур электродов и изоляторов позволяет изготовлять гибкие плоские антенны толщиной от нескольких до десятых долей миллиметра.
Промышленная применимость и преимущества полезной модели подтверждены испытаниями их широкополосности и эффективности приема. В экспериментах проверялись полученные расчетным путем зависимости /2  от /2 , размеров Dp и DK   также их отношений. Эффективность приема различных вариантов конструкций плоских антенн оценивалась в сравнении со штыревой антенной, которая располагалась рядом с исследуемой в однородной напряженности Е. измеряемого поля. Используя поочередно один и тот же усилительный тракт и изменяя высоту Н штыревой антенны устанавливалось равенство их выходных напряжений lA-H . Были изготовлены две пары плоских антенн с оптимальными У , при этом в каждой паре величины Dp и DK были
одинаковы, но отличались между парами. Далее, в каждой паре одна антенна имела /2.  0,6мм, а другая /2  6мм. У антенн с Jl  0,6мм рабочий и компенсирующий электроды изготовлялись из латунной фольги, а изоляторы из полиэтиленовой пленки, при этом получалась гибкая и плоская конструкция. Для антенны с /2  6мм рабочий и компенсирующий электроды с изоляторами изготовлялись из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 3мм, по.11училась жесткая конструкция. Сравнительные измерения проводились в частотном диапазоне от 0,1 до 4 МГц и не характеризуют предельную полосу приема плоской антенны по причине их макетных исследований.
Полученные данные хорощо согласуются с расчетными и подтверждают эффективность приема плоской антенны в полосе частот, который в несколько раз превыщает диапазон прототипа по уровню ЗДб. При малых /I её эффективность в основном зависит от Dp , DK и Свх- К примеру, при )р - 195мм и У- 0,72 для /2.  0,6 и 6мм, эффективность приема была одинаковой и соответствовала высоте штыревой антенны п - 180мм, а при Dp - 107мм и J 0,76 при тех же значениях /Т. соответствовала антенне с /-|  125мм.
J -о /  и /г .   О / У е,