ДВУХЧАСТОТНАЯ УКВ АНТЕННА С МАЛЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗМЕРОМ

Полезная модель относится к элементам электрического оборудования, в частности к антеннам ультракоротких волн (УКВ).
2
3
Известна конструкция УКВ антенны на основе метаматериала (EZ-антенна) с интегрированной емкостью (Erentok A., and Ziolkowski R.W. Metamaterial-inspired efficient electrically small antennas // IEEE Trans. On Antennas and Propag., Vol. 56, No. 3, March 2008, p.p. 691-707). Антенна выполнена на подложке RT/Duroid 5880 толщиной 0,787 мм. Излучатель в виде П-образного магнитного вибратора (печатный П-образный полосок) и паразитный П-образный полосковый элемент с интегральным конденсатором, выполнены на одной стороне диэлектрической подложки. На резонансной частоте 100 МГц длина магнитного вибратора (на фиг. 1 обозначено «Antenna Length») составляет 50 мм, высота («Antenna Height») 15 мм, ширина («Antenna Width») 6 мм, размер экрана 164×164 мм, интегральный конденсатор имеет емкость 15 пФ. Паразитный элемент сформирован П-образным полоском высотой 70 мм, длиной 140 мм, шириной 10 мм, имеет щель шириной 1 мм. Конденсатор имеет размеры 1,4×1,4×1,45 мм. Магнитный вибратор запитывается от центральной жилы коаксиального кабеля, второй конец вибратора замкнут на экран. Также на экран замыкаются оба конца паразитного полоскового элемента. Преимущество антенны в низких потерях проводимости, при высоком КПД, простом способе перестройки резонансной частоты антенны за счет изменения емкости интегрального конденсатора.
Недостатком данной конструкции является то, что она работает на одной резонансной частоте, и как следствие, невозможность подключения антенны к двухчастотным приемопередатчикам.
Задача полезной модели - обеспечение работы УКВ антенны с малым электрическим размером на двух резонансных частотах.
Двухчастотная УКВ антенна с малым электрическим размером содержит диэлектрическую подложку с магнитным полосковым П-образным вибратором, основной П-образный компенсирующий полосковый элемент с конденсатором, экран, коаксиальный переход и коаксиальный кабель. При этом двухчастотная антенна УКВ с малым электрическим размером снабжена дополнительным П-образным компенсирующим полосковым элементом с конденсатором, расположенным по середине между магнитным полосковым П-образным вибратором и основным П-образным компенсирующим полосковым элементом, обеспечивающим работу антенны на второй резонансной частоте. Реализация предложенной полезной модели позволяет достичь технический результат в виде обеспечения работы, УКВ антенны с малым электрическим размером на двух резонансных частотах.
На фиг. 1 изображена топология двухчастотной УКВ антенны с малым электрическим размером; на фиг. 2 - электрическая схема двухчастотной антенны УКВ с малым электрическим размером; на фиг. 3 - результаты моделирования обратных потерь двухчастотной антенны УКВ с малым электрическим размером; на фиг. 4 - диаграмма направленности двухчастотной антенны УКВ с малым электрическим размером; на фиг. 5-6 фотографии двухчастотной антенны УКВ с малым электрическим размером; на фиг. 7 -результаты измерения коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) опытного прототипа двухчастотной антенны УКВ с малым электрическим размером.
Двухчастотная УКВ антенна с малым электрическим размером состоит из подложки, на которой находится П-образный магнитный вибратор 1 (фиг. 1) с плавным трансформатором сопротивления 2; основного П-образного компенсирующего полоскового элемента 3; дополнительного П-образного компенсирующего полоскового элемента 4. Оба элемента имеют зазор 5, расположенный симметрично вертикальной оси симметрии антенны. В зазорах 5 основного и дополнительного П-образных компенсирующих полосковых элементов 3 и 4 находятся интегральные конденсаторы 6. Выбор номиналов интегральных конденсаторов 6 определяет работу антенны на нижней резонансной частоте (конденсатор в щели основного П-образного компенсирующего полоскового элемента) и на верхней резонансной частоте (конденсатор в щели дополнительного П-образного компенсирующего полоскового элемента). Антенна запитывается через коаксиально-полосковый переход 7.
1
2
1
2
1
2
Двухчастотная УКВ антенна с малым электрическим размером работает следующим образом. Электромагнитная энергия через коаксиальный переход 7 (фиг. 2) поступает на П-образный магнитный вибратор 1, имеющий высокий входной реактанс емкостного типа, для компенсации которого служит основной П-образный компенсирующий полосковый элемент 3 и дополнительный П-образный компенсирующий полосковый элемент 4. В зазорах основного и дополнительного П-образных компенсирующих полосковых элементов 3 и 4 находятся интегральные конденсаторы 6 (C, С). За счет электромагнитного возбуждения основного П-образного компенсирующего полоскового элемента 3 и дополнительного П-образного компенсирующего полоскового элемента 4 происходит компенсация высокого емкостного реактанса П-образного магнитного вибратора 1 и согласование его входного сопротивления с волновым сопротивлением коаксиального кабеля. Соответствующие кромки П-образного магнитного вибратора 1 основного и дополнительного П-образных компенсирующих полосковых элементов 3 и 4 замкнуты на экран 8. Перестройка резонансных частот УКВ антенны осуществляется подбором емкостей интегральных конденсаторов 6 (C, С). При C=C=3 пФ верхняя резонансная частота двухчастотной УКВ антенны составляет 200 МГц. При увеличении емкости до 15 пФ происходит смещение двух резонансных кривых в сторону уменьшения частоты. При этом обратные потери равномерно поднимаются по уровню с -20 дБ до -10 дБ, а разность резонансных частот составляет 55-60 МГц (фиг. 3), диаграмма направленности антенны равномерная в Е- и Н-плоскостях (фиг. 4).
Таким образом, предлагаемая двухчастотная УКВ антенна с малым электрическим размером работает на двух резонансных частотах. За счет применения П-образных компенсирующих полосковых элементов электрический размер данной антенны уменьшается в 30 раз по сравнению с аналогичными вибраторными антеннами, например, по сравнению с антенной АВ-160, производимой ООО «Бестер» (г. Воронеж).
ср
ср
cp
1
2
1
1
1
2
2
2
2
1
2
1
1
2
1
2
1
2
1
2
Для подтверждения теоретических положений, представленных в заявке, проведены экспериментальные исследования опытного образца двухчастотной УКВ антенны (фиг. 5-6). Опытный образец антенны выполнен на подложке RT/Duroid5880 толщиной 0,787 мм с диэлектрической проницаемостью 2,2. Магнитный вибратор имеет размеры а=0,0079λ, b=0,03λ, где средняя длина волны λ=(λ+λ)/2, λ=c/f - верхняя резонансная длина волны на нижней резонансной частоте f; λ=c/f - нижняя резонансная длина волны на верхней резонансной частоте f (с - скорость света). Основной П-образный компенсирующий элемент имеет размеры а=0,035λ, b=0,034λ, a дополнительный - имеет размеры a=0,024λ, b=0,027λ. В зазорах основного и дополнительного П-образных элементов находятся интегральные конденсаторы C, C Murata GJM размерного ряда 0805 емкостью 8,2 пФ. Антенна возбуждается через коаксиальный переход NM-LCF 12-060 от коаксиального кабеля LCF12-50JFN длиной 165 мм с волновым сопротивлением 50 Ом. На фиг. 7 представлены результаты измерения КСВН на приборе Р2М-18 в диапазоне 90-230 МГц. Наблюдаемые резонансы соответствуют данным на фиг. 3 и равны: f=128 МГц, f=202 МГц. Реализация предложенной полезной модели позволяет достичь технический результат в виде обеспечения работы УКВ антенны с малым электрическим размером на двух резонансных частотах.
Источники информации
1. Erentok A. and Ziolkowski R.W. Metamaterial-inspired efficient electrically small antennas // IEEE Trans. On Antennas and Propag., Vol. 56, No. 3, March 2008, p.p. 691-707