Широкополосный симметричный вибратор в печатном исполнении
BROADBAND SYMMETRICAL VIBRATOR IN PRINTED DESIGN

Предлагаемое изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к антеннам, и может быть использовано, в широкополосных приемо-передающих устройствах, технике связи, радиолокационных устройствах, а также в составефазированных антенных решёток (ФАР).
Актуальность разработки таких антенн обусловлена миниатюризацией радиотехнической аппаратуры, повышением требований к широкополосности систем, а также требований к массо-габаритным показателям. Такими свойствами обладают печатные вибраторные антенны.
Известен симметричный вибратор в печатном исполнении, содержащий симметричные плечи и двухпроводную питающую линию (US7324059B2, Stub printed dipole antenna (SPDA) having wide-band and multi-band characteristics and method of designing the same, H01Q9, 19.08.2005). Устройство имеет малые габариты и небольшой вес.
Однако в указанном устройстве используется конструкция двухпроводной линии с торцевой связью, т.е. проводники находятся в одной плоскости, поэтому данная линия имеет большие потери по излучению и меньшую помехозащищенность, а также меньший диапазон рабочих частот в сравнении с линией, проводники которой находятся в разных плоскостях, на противоположных сторонах диэлектрика (линия с лицевой связью). Образованный на двухпроводной линии короткозамкнутый шлейф имеет выраженную реактивную составляющую в полосе частот, которая затрудняет согласование. Шлейф на линии с лицевой связью обладает меньшей реактивной составляющей.
Известен симметричный вибратор в печатном исполнении для беспроводной многодиапазонной системы связи (US7095382B2, modified printed dipole antennas for wireless multi-band communications systems, H01Q9, 24.11.2003), содержащий питающий шлейф с обратной стороны антенны, который соединен с плечом вибратора с помощью перемычки. Плечи вибратора находятся в одной плоскости на высоте ¼ длины волны от экрана.
Однако, в указанном устройстве используется питающий короткозамкнутый четвертьволновый шлейф, выполненный на основе двухпроводной линии с торцевой связью, которая ухудшает согласование.
Известен симметричный вибратор в печатном исполнении (A printed dipole antenna for RFID tag, KR200430494Y1, H01Q9, 16.06.2006), содержащий печатный микрополосковый симметрирующий трансформатор с длиной линии равной ¼ длины волны. Микрополосковая линия вибратора находится на одной стороне диэлектрической подложки. Связь линии с вибратором обеспечивается перемычкой.
Однако в указанном устройстве используется конструкция двухпроводной линии с торцевой связью, которая имеет большие потери по излучению, а, следовательно, худшее согласование и малый диапазон рабочих частот (ширина полосы -15% при КСВН не более 1,5) в сравнении с линией с лицевой связью.
Кроме того, известен симметричный вибратор в печатном исполнении (симметричный вибратор в печатном исполнении, RU2717573C1, H01Q9, 19.06.2019), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, выполненный на подложке, содержащей экран, двухпроводную симметричную линию, образующую короткозамкнутый шлейф, с одной стороны который подключен к плечам вибратора, с другой - к экрану, питающую линию, отличающийся тем, что плечи вибратора и питающие проводники короткозамкнутого шлейфа расположены на разных сторонах подложки, при этом питающая линия выполнена в виде симметричной полосковой линии, внутренний проводник которой присоединен к одному из плеч вибратора посредством перемычки, а экран установлен перпендикулярно подложке
Однако в устройстве-прототипе использование короткозамкнутого шлейфа на основе двухпроводной симметричной линии с лицевой связью, образующей двухконтурную систему, обеспечивает недостаточно широкую полосу частот, которая составляет 28% по КСВ уровня 2.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является улучшение согласования линии передачи с нагрузкой в более широкой полосе частот.
Технический результат достигается тем, что в известном симметричном вибраторе в печатном исполнении, выполненном на подложке, содержащей экран, двухпроводную симметричную линию, образующую короткозамкнутый шлейф, с одной стороны который подключен к плечам вибратора, с другой - к экрану, питающую линию, плечи вибратора и питающие проводники короткозамкнутого шлейфа расположены на разных сторонах подложки, при этом питающая линия выполнена в виде симметричной полосковой линии, внутренний проводник которой присоединен к одному из плеч вибратора посредством перемычки, а экран установлен перпендикулярно подложке, при этом введен согласующий печатный элемент, расположенный на внутренней части подложки, над плечами вибратора, образующий трехконтурную систему и позволяющий расширить  полосу частот до 42% при заданном уровне КСВ менее 2.
На фиг.1  приведен предлагаемый симметричный вибратор в печатном исполнении, на фиг.2 – частотная зависимость КСВН, на фиг.3 – фиг.4 – диаграммы направленности антенны в плоскостях векторов напряженности электрических и магнитных полей, на нижней и верхней частотах соответственно.
Предлагаемое устройство (фиг.1) размещенное на диэлектрике 1, содержит симметричную полосковую линию, внешние проводники 2 которой с одного конца присоединены к плечам вибратора 3, с другого конца – к экрану 4, при этом внутренний проводник симметричной полосковой линии 5 присоединен к одному из плеч вибратора 3 посредством перемычки 6, и согласующий печатный элемент 7.
Широкополосный симметричный вибратор в печатном исполнении работает следующим образом. СВЧ сигнал подается на внутренний проводник питающей линии 5 и через перемычку 6 поступает на первое плечо вибратора, а также, через четвертьволновый короткозамкнутый шлейф, образованный симметричной двухпроводной линий передачи с лицевой связью, на второе плечо вибратора. В результате чего по плечам вибратора 3 протекает синфазный ток, являющийся источником электромагнитного поля. Плечи и четвертьволновый короткозамкнутый шлейф образуют эквивалентную двухконтурную систему. Эффект улучшения согласования достигается за счет применения согласующего печатного элемента 7, по которому протекают токи и наводится электромагнитное поле воздействующее на плечи вибратора и образуется эффект третьего контура. Трехконтурная система при оптимальной настройке обеспечивает большую полосу рабочих частот.
Сравнение заявляемого устройства с известными показывает, что заявляемое устройство имеет следующие отличительные особенности:
- согласующий печатный элемент расположен на внутренней стороне диэлектрика (позволяет подключать плечи вибратора различной геометрической формы)
- минимальное реактивное сопротивление в широкой полосе частот
Пример реализации устройства для работы в дециметровом диапазоне волн: плечи вибратора выполнены в виде диполя (толщина материала равна 0,1 мм), длина плеча 36,2мм, ширина полосковой линии 6мм. Размеры экрана 100х100мм.
Макет широкополосного вибратора имеет рабочую полосу частот по уровню КСВН=1,5 порядка 38% от средней частоты (по уровню КСВН=2 порядка 43% от средней частоты) (Фиг.2). Коэффициент усиления КУ=7.6 дБ (Фиг.3, Фиг.4).