АНТЕННА

Полезная модель относится к антенной технике, в частности к сверхширокополосным антеннам СВЧ-диапазона, и может быть использована в качестве самостоятельной приемной или передающей антенны, а также как субантенна в составе фазированных антенных решеток, в метрологии, в системах связи, в радиодефектоскопии, в радиомониторинге, в задачах электромагнитной совместимости [H01Q 9/28, H01Q 13/08, H01Q 13/10, H01Q 13/20].
Из уровня техники известна АНТЕННА [GB 1601441 A, опубл. 28.10.1981], которая выполнена на диэлектрической подложке на основе печатной симметричной щелевой линии, экспоненциально расширяющейся от входной линии передачи к раскрыву антенны. Переход с симметричной щелевой линии на коаксиальный соединитель осуществляется через микрополосковую линию, установленную ортогонально по отношению к симметричной щелевой линии и расположенную на другой стороне диэлектрической подложки. В данной антенне формирование электромагнитного поля начинается в диэлектрике, и только в процессе распространения электромагнитной волны она выходит за пределы диэлектрика и переходит в окружающее пространство.
Недостатком аналога является снижение эффективности в высокочастотной части диапазона за счет поглощения электромагнитного поля в диэлектрике.
Из уровня техники также известен ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПЕРЕХОД ОТ МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ К ЩЕЛЕВОЙ ЛИНИИ [US 5278575 A, опубл. 11.01.1994], выполненный на основе антиподальной щелевой линии (АПЩЛ). Апертура антенны образована отрезком печатной АПЩЛ без перекрытия и содержит две одинаковые металлические пластины, расположенные на разных сторонах диэлектрической подложки. В излучающей части печатной антенны металлические пластины АПЩЛ выполнены экспоненциально расширяющимися по внутренней боковой кромке от точки нулевого перекрытия до максимального раскрыва апертуры. Сигнальный полосковый проводник отрезка микрополосковой линии торцом гальванически подключен к внутренней боковой кромке одной металлической пластины АПЩЛ в области нулевого перекрытия, а его земляная плоскость гальванически соединена с торцевой боковой кромкой другой металлической пластины АПЩЛ в области нулевого перекрытия.
Недостатками аналога является увеличение габаритов за счет выступающих элементов в виде металлических пластин, а также снижение эффективности в высокочастотной части диапазона за счет поглощения электромагнитного поля в диэлектрике между пластинами.
Наиболее близкой по технической сущности является ПЕЧАТНАЯ АНТЕННА [RU 2400876 C1, опубл. 27.09.2010], содержащая отрезок антиподальной щелевой линии, расположенный на диэлектрической подложке, и отрезок сигнальной полосковой линии, при этом апертура антенны образована отрезком антиподальной щелевой линии без перекрытия на интервале от области нулевого перекрытия до области максимального раскрыва апертуры, одинаковые сигнальная и земляная металлические пластины которой выполнены суживающимися по внутренней боковой кромке от области нулевого перекрытия до области максимального раскрыва апертуры, отрезок сигнальной полосковой линии размещен на одной поверхности диэлектрической подложки и торцом гальванически подключен к внутренней боковой кромке сигнальной металлической пластины в области нулевого перекрытия сигнальной и земляной металлических пластин, а земляная плоскость отрезка сигнальной полосковой линии размещена на другой, противолежащей поверхности диэлектрической подложки в области нулевого перекрытия антиподальной щелевой линии и гальванически соединена с торцевой боковой кромкой земляной металлической пластины, отличающаяся тем, что введен отрезок дополнительной антиподальной щелевой линии без перекрытия, первая и вторая металлические пластины которой идентичны сигнальной и земляной металлическим пластинам соответственно, причем первая металлическая пластина расположена на одной поверхности диэлектрической подложки в области апертуры с сигнальной металлической пластиной, а вторая металлическая пластина расположена на одной поверхности диэлектрической подложки в области апертуры с земляной металлической пластиной, при этом отрезок дополнительной антиподальной щелевой линии без перекрытия не имеет области нулевого перекрытия, причем в области апертуры первая металлическая пластина гальванически соединена металлическими перемычками с земляной металлической пластиной, а вторая металлическая пластина гальванически соединена металлическими перемычками с сигнальной металлической пластиной.
Основной технической проблемой прототипа является сужение полосы рабочих частот антенны за счет поглощения электромагнитного поля в диэлектрике.
Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом полезной модели является расширение полосы рабочих частот антенны.
Указанный технический результат достигается за счет того, что антенна, содержащая диэлектрическое основание с выполненной в нем щелевой выемкой, расширяющейся к торцу диэлектрического основания, причем профиль щелевой выемки на одной стороне диэлектрического основания образован двумя плоскими линиями и прямой линией зазора, также на диэлектрическое основание в области щелевой выемки смонтированы верхний и нижний электроды, каждый из которых состоит из двух одинаковых металлических пластин, смонтированных противоположно, напротив друг друга на разных сторонах диэлектрического основания и гальванически соединенных между собой, при этом одна из граней металлических пластин и соответствующая ей плоская линия профиля щелевой выемки идентичны по форме и совпадают при монтаже электродов, отличающаяся тем, что профиль щелевой выемки выполнен таким, что он не изменяется по толщине диэлектрического основания, а для гальванического соединения металлических пластин верхнего и нижнего электродов используется электропроводный слой, нанесенный по толщине диэлектрического основания между плоскими линиями щелевой выемки.
В частности, щелевая выемка выполнена с симметричным профилем.
В частности, щелевая выемка частично содержит диэлектрический материал основания.
В частности, диэлектрический материал образует в широкой части щелевой выемки диэлектрическую планку.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показан общий вид антенны (исполнение с перемычками).
На фиг.2 показан общий вид антенны (исполнение с электропроводным слоем).
На фиг.3 показан общий вид антенны (исполнение с электропроводным слоем и диэлектрической планкой).
На фигурах обозначено: 1 – диэлектрическое основание, 2 – щелевая выемка, 3 – зазор, 4 – плоские линии, 5 – верхний электрод, 6 – нижний электрод, 7 – перемычки, 8 – электропроводный слой, 9 – диэлектрическая планка.
Осуществление полезной модели
Антенна содержит диэлектрическое основание 1 (фиг.1), выполненное из диэлектрического материала в виде пластины прямоугольной формы с реализованной на одном из ее торцов щелевой выемкой 2 (щелевым пазом) сложной формы, геометрия которой обусловлена характеристиками антенны и выбирается из соотношений принятых для расчета антенн данного типа. Щелевая выемка 2, внутри которой отсутствует диэлектрический материал, расширяется к торцу пластины и достигает максимальной ширины на торце диэлектрического основания 1, образуя раскрыв антенны. По мере удаления от торца ширина щелевой выемки 2 уменьшается и в конце становится равной минимальной ширине – ширине зазора 3. Таким образом, профиль щелевой выемки 2 на одной стороне диэлектрического основания 1 образован двумя плоскими линиями 4 и прямой линией зазора 3, причем такой же профиль расположен и на противоположной стороне диэлектрического основания 1. Таким образом, профиль щелевой выемки 2 не изменяется по толщине диэлектрического основания 1 и выполняется либо симметричным, либо несимметричным. Плоские линии 4 щелевой выемки 2 в зависимости от требуемых характеристик антенны выполняются следующего вида: экспоненциальные, кривые второго порядка, набор кусочно-линейных отрезков, прямые линии и т.д.
На диэлектрическое основание 1 в области щелевой выемки 2 смонтированы верхний 5 и нижний 6 электроды, каждый их которых состоит из двух одинаковых металлических пластин (на фигурах не показаны), смонтированных противоположно, друг напротив друга на разных сторонах диэлектрического основания 1 и гальванически соединенных между собой (т.е. непосредственно, без применения пассивных и активных элементов).
Форма металлических пластин может быть различной, но с условием соответствия по форме одной из их граней плоской линии 4 щелевой выемки 2, и, следовательно, металлические пластины монтируются на диэлектрическое основание 1 таким образом, что контур щелевой выемки 2 и данная грань металлической пластины совпадают.
На фиг 1, 2 и 3 показана симметричная щелевая выемка 2, образованная плоскими линиями 4 экспоненциального вида, а форма металлических пластин верхнего 5 и нижнего электродов 6 схожа с прямоугольным треугольником, в котором гипотенуза вместо прямой линии – экспоненциальная кривая.
Величина зазора 3 определяется, в том числе и из условия недопущения короткого замыкания электродов 5 и 6. Линии питания на фигурах не представлены, так как сигнал (энергия) подводится к антенне любым известным способом, например, полосковой линией или коаксиальным кабелем.
На фиг. 1 показано гальваническое соединение двух металлических пластин в верхнем 5 и нижнем 6 электродах с помощью перемычек 7, то есть представлена антенна в исполнении с перемычками 7, при этом число перемычек 7 не влияет на достижение технического результата и может быть различным.
В антенне в исполнении с электропроводным слоем 8 (фиг.2) вместо перемычек 7 для гальванического соединения металлических пластин верхнего 5 и нижнего электродов 6 используется электропроводный слой 8, нанесенный по толщине диэлектрического основания 1 между плоскими линиями 4 щелевой выемки 2. Данный электропроводный слой 8, выполнен из металла и нанесен, например, методом напыления.
Представленная на фигуре 3 антенна в исполнении с электропроводным слоем 8 и диэлектрической планкой 9 отличается от представленной на фигуре 2 антенны в исполнении с электропроводным слоем 8 тем, что для сохранения жесткости конструкции, диэлектрический материал убирается частично только из узкой части щелевой выемки 2, которая отвечает за высокие частоты, а широкая часть, начиная от торца, остается заполненной диэлектриком, то есть там расположена диэлектрическая планка 9.
Антенна работает следующим образом.
В зависимости от режима работы щелевая выемка 2 является излучающей сигнал или принимающей сигнал частью антенны. В узкой части в области зазора 3 щелевая выемка 2 имеет волновое сопротивление, соответствующее волновому сопротивлению линии питания антенны. По мере расширения щелевой выемки 2, волновое сопротивление линии приближается к волновому сопротивлению окружающей среды, что и обеспечивает передачу энергии в окружающую среду, то есть излучение электромагнитной энергии. Поскольку электромагнитная волна двигается между излучающими электродами 5 и 6 вне диэлектрического основания 1, то характеристики диэлектрического материала не влияют на излучающие свойства антенны, что обеспечивает низкие потери в области высоких излучаемых частот. Еще большему снижению потерь, способствует нанесение электропроводного слоя 8 на щелевую выемку 2.
Данная антенна может быть использована в качестве самостоятельной приемной или передающей единицы, а также может быть составной частью антенного поля, или сложной рефлекторной антенны.
Технический результат полезной модели - расширение полосы рабочих частот антенны, достигается вследствие полного или частичного отсутствия диэлектрического материала внутри щелевой выемки 2, так как в этом случае электромагнитная волна двигается между излучающими электродами 5 и 6 вне диэлектрического основания 1 и, следовательно, характеристики диэлектрического материала не влияют на излучающие свойства антенны, что обеспечивает низкие потери в области высоких излучаемых частот.
Дополнительно улучшает характеристику антенны нанесение электропроводного слоя 8 на щелевую выемку 2 вместо перемычек 7, так как в этом случае отсутствуют элементы электродов 5 и 6, расположенные внутри диэлектрического материала диэлектрического основания 1.
В 2022 году автором полезной модели был изготовлен опытный образец антенны в исполнении с электропроводным слоем 8 и диэлектрической планкой 9, при это не смотря на использование в качестве диэлектрического материала стандартного стеклотекстолита была обеспечена работа антенны в диапазоне от 500 МГц до 18 ГГц с КСВ в питающей линии не более 2, что подтвердило соответствие представленной антенны сверхширокополосному классу и хорошую работу антенны в области высоких частот.