АНТЕННА
ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к малогабаритным антеннам, и может найти применение для реализации сотовой связи, в портативных радиостанциях, в задачах электромагнитной совместимости, в задачах радиомониторинга.
Известна антенна (Typical SAS-2, CATALOG «A.R.A. Antenna Research», 1999, p.37), содержащая отрезок коаксиальной линии передачи, два металлических диска диаметром D1 и D2, соответственно, установленные параллельно между собой и расположенные на расстоянии один от другого, при этом первый металлический диск соединен по центру с центральным проводником, а второй металлический диск смещен от торца внешнего проводника отрезка коаксиальной линии передачи и соединен с ним гальванически, причем другой конец отрезка коаксиальной линии передачи является выходом антенны.
Недостатком данного технического решения является узкая полоса рабочих частот, большие продольные и поперечные размеры антенны.
Наиболее близким техническим решением-прототипом является полосковая антенна (Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986. Стр.89, рис.3.1.а), содержащая сигнальную металлическую пластину, выполненную в форме диска, расположенную над диэлектрической подложкой, которая установлена на металлический экран, параллельно металлической пластине. Сигнальная металлическая пластина в форме диска возбуждается центральным проводником отрезка коаксиальной линии, причем точка подключения центрального проводника отрезка коаксиальной линии смещена относительно центра диска, а внешний проводник отрезка коаксиальной линии подключен к металлическому экрану.
Недостатком данного технического решения является узкая полоса рабочих частот, кроме того, размеры диска сигнальной металлической пластины соизмеримы с длиной волны, что ограничивает частотный диапазон по габаритам, и продольные, и поперечные размеры металлического экрана значительно больше размеров диска сигнальной металлической пластины. Ось главного лепестка диаграммы направленности перпендикулярна плоскости диска металлической пластины.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание малогабаритной сверхширокополосной приемо-передающей антенны с изотропной диаграммой направленности.
Поставленная задача достигается тем, что в антенне, содержащей сигнальный металлический диск, расположенный на диэлектрической подложке, которая установлена на земляную металлическую пластину, параллельную сигнальному металлическому диску, и отрезок коаксиальной линии, согласно предложенному решению, в сигнальном металлическом диске выполнено круглое отверстие, диаметр которого больше диаметра внешнего проводника отрезка коаксиальной линии, и центром которого является центр сигнального металлического диска, а земляная металлическая пластина выполнена в виде металлического диска, при этом введены дополнительный земляной металлический диск и дополнительная диэлектрическая подложка, идентичные земляному металлическому диску и диэлектрической подложке, соответственно, причем дополнительная диэлектрическая подложка установлена на сигнальный металлический диск, а на нее установлен дополнительный земляной металлический диск, причем центры сигнального металлического диска, земляного металлического диска и дополнительного земляного металлического диска расположены на одной оси, перпендикулярной плоскости дисков, являющейся осью антенны, отрезок коаксиальной лини и расположен по центру земляного и дополнительного земляного металлических дисков, которые соединены с внешним проводником отрезка коаксиальной линии, а конец центрального проводника отрезка коаксиальной линии, расположенный в плоскости сигнального металлического диска, гальванически соединен с сигнальным металлическим диском, по меньшей мере, одним контактным элементом, который проходит через отверстие во внешнем проводнике отрезка коаксиальной линии.
Диаметры земляного металлического диска и дополнительного земляного металлического диска могут быть выполнены равными, большими или меньшими диаметра сигнального диска.
Два идентичных осесимметричных металлических рефлектора могут быть гальванически установлены на земляной металлический диск и дополнительный земляной металлический диск, при этом ось симметрии металлических рефлекторов совмещена с осью симметрии этих дисков.
Металлический рефлектор может быть выполнен
- в виде усеченного конуса, диаметр малого основания которого равен диаметру земляного металлического диска;
- в виде шарового слоя, диаметр малого основания которого равен диаметру земляного металлического диска.
Два идентичных осесимметричных металлических согласующих элемента могут быть гальванически установлены на сигнальный металлический диск с обеих его сторон, при этом ось симметрии металлических согласующих элементов совмещена с осью этого диска.
Металлический согласующий элемент может быть выполнен
- в виде усеченного конуса, диаметр меньшего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска;
- в виде усеченного конуса, диаметр большего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска;
- в виде шарового слоя, диаметр меньшего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска;
- в виде шарового слоя, диаметр большего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска.
Диэлектрическая подложка и дополнительная диэлектрическая подложка могут быть выполнены в форме диска, диаметр которого равен диаметру сигнального металлического диска или диаметру земляного металлического диска.
Величина относительной диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки может быть равна единице.
Земляной металлический диск и дополнительный земляной металлический диск, соединенные по центру с внешним проводником одного конца отрезка коаксиальной линии, находятся под одинаковым потенциалом, а сигнальный металлический диск, соединенный хотя бы одним контактным элементом с концом центрального проводника отрезка коаксиальной линии, расположенный симметрично между земляным металлическим диском и дополнительным земляным металлическим диском, находится под другим потенциалом. Сигнальный металлический диск возбуждает электромагнитное поле поперечной электромагнитный волны на земляных металлических дисках, которое и преобразуется в электромагнитное поле продольной электромагнитной волны, которая излучается в свободное пространство, формируя изотропную диаграмму направленности, подобную несимметричному вибратору.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - изображена конструкция антенны, выполненная с четырьмя контактными элементами, диаметр сигнального металлического диска которой меньше диаметра земляного металлического диска, а диаметры диэлектрической подложки и сигнального металлического диска одинаковы; на фиг.2 - сечение антенны (фиг.1) в плоскости, проходящей через продольную ось антенны (далее - продольное сечение антенны); на фиг.3 и 4 - продольное сечение антенны, выполненной с металлическими рефлекторами, в виде усеченного конуса и в виде шарового слоя, соответственно, диаметр малого основания которого равен диаметру земляного металлического диска антенны; на фиг.5 - продольное сечение антенны, диаметр сигнального металлического диска которой меньше диаметра земляного металлического диска, а диаметры диэлектрической подложки и земляного металлического диска одинаковы; на фиг.6 и 7 - продольное сечение антенны, выполненной с согласующими элементами в виде усеченного конуса и шарового слоя, соответственно, диаметр малого основания которого равен диаметру сигнального металлического диска антенны; на фиг.8 - продольное сечение антенны, выполненной с согласующими элементами в виде усеченного конуса, диаметр большего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска, диаметр сигнального металлического диска которой меньше диаметра земляного металлического диска, а диаметр диэлектрической подложки которой меньше диаметра сигнального металлического диска; на фиг.9 - продольное сечение антенны, диаметры сигнального, земляного металлических дисков и диэлектрической подложки которой одинаковы; на фиг.10 - продольное сечение антенны, выполненной с металлическими рефлекторами в виде усеченного конуса, диаметр малого основания которого равен диаметру земляного металлического диска, и с металлическими согласующими элементами в виде усеченного конуса, диаметр большего основания которого равен диаметру сигнального металлического диска, диаметры сигнального и земляного металлических дисков антенны одинаковы, а диаметр диэлектрической подложки ее меньше диаметра земляного диска.
Антенна (фиг.1) содержит сигнальный металлический диск 1, расположенный на диэлектрической подложке 2, которая установлена на земляной металлический диск 3, и отрезок коаксиальной линии 4. В сигнальном металлическом диске 1 выполнено круглое отверстие 5, диаметром больше диаметра внешнего проводника 6 отрезка коаксиальной линии 4. На сигнальный металлический диск 1 установлена дополнительная диэлектрическая подложка 7, а на нее установлен дополнительный земляной металлический диск 8. Центры сигнального металлического диска 1, земляного и дополнительного земляного металлических дисков 3 и 8 расположены на одной оси, перпендикулярно плоскости этих дисков, являющейся осью антенны. Конец центрального проводника 9 отрезка коаксиальной линии 4 гальванически соединен четырьмя контактными элементами 10, проходящими через отверстия 11 во внешнем проводнике 6 отрезка коаксиальной линии 4. Два идентичных осесимметричных металлических рефлектора 12 (фиг.3, 4, 10), выполненные в виде усеченного конуса или в виде шарового слоя, гальванически установлены на поверхности земляного металлического диска 3 и дополнительного земляного металлического диска 8. Металлические согласующие элементы 13 (фиг.6, 7, 10), выполненные в виде усеченного конуса или в виде шарового слоя гальванически, установлены на одну и другую поверхности сигнального металлического диска 1. Аналитически усеченный конус и шаровой слой описаны (И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике. М.: Наука, 1967, стр.176-177).
Антенна в режиме передачи работает следующим образом.
Высокочастотной электромагнитной энергией антенна запитывается через отрезок коаксиальной линии 4. По центральному проводнику 9 отрезка коаксиальной линии 4 высокочастотный электрический ток через контактный элемент 10 запитывает сигнальный металлический диск 1, а внешний проводник 6 отрезка коаксиальной линии 4 проводит высокочастотный электрический ток, противофазный электрическому току центрального проводника 9, и синфазно запитывает по центру земляной металлический диск 3 и дополнительный земляной металлический диск 8.
⊥
⊥
Таким образом, сигнальный металлический диск 1 возбуждает электромагнитные волны в области земляного металлического диска 3 и дополнительного земляного металлического диска 8 и, соответственно, поверхностные токи проводимости. Возбуждаемый поверхностный ток проводимости на поверхности каждого из земляных металлических дисков 3 и 8 порождает вектор электрического поля Е, который характеризуется двумя составляющими электрического поля  и E. Первая из них параллельна продольной оси антенны, а вторая ортогональна продольной оси антенны. В силу симметрии, составляющие электрического поля  ориентированы одинаково и, соответственно, суммируются в зазоре, а составляющие электрического поля Е ориентированы встречно и, соответственно, взаимно компенсируются в зазоре. В результате суммирования всех составляющих электрического поля  на земляных металлических дисках 3 и 8, в зазоре происходит формирование и излучение электромагнитной волны, излучаемой в свободное пространство.
Аналогичным образом антенна работает на прием электромагнитной волны.
Диаметр металлических дисков выбирается много меньше длины волны, что определяет излучающие свойства антенны и обеспечивает сверхширокополосность при малых габаритах, а круговое магнитное поле формирует изотропную диаграмму направленности.
Использование металлических рефлекторов 12 и металлических согласующих элементов 13 позволяет улучшить согласование и расширить диапазон рабочих частот.
Оптимальный выбор диаметров сигнального металлического диска, земляного и дополнительного земляного металлических дисков, диаметра и диэлектрической проницаемости диэлектрической и дополнительной диэлектрической подложек, диаметров и форм металлических рефлекторов и металлических согласующих элементов позволяет создавать конструкции антенн на заданные электрические характеристики в широком частотном диапазоне.