АНТЕННА
ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к широкополосным малогабаритным электрическим антеннам, и может найти применение для сотовой связи, в портативных радиостанциях, для приема радиовещательных и телевизионных сигналов, в задачах радиомониторинга.
Известна антенна (Typical SAS-2, CATALOG «A.R.A. Antenna Research»), 1999, pp.37), содержащая отрезок коаксиальной линии передачи, два металлических диска диаметром D1 и D2 соответственно, установленные параллельно между собой и расположенные на расстоянии h 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, при этом другой конец отрезка коаксиальной линии передачи является выходом антенны.
Недостатком данного технического решения является узкополосность, большие продольные и поперечные размеры антенны, возможность однокоординатного приема сигнала.
Наиболее близким техническим решением-прототипом является полосковый излучатель (Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. - М.: Радио и связь, 1986, стр.89, рис 3.1.а), содержащий металлическую пластину-излучатель, выполненную в форме диска, расположенную на диэлектрической подложке, расположенной на металлическом экране. Металлическая пластина в форме диска возбуждается центральным проводником коаксиальной линии, причем точка подключения смещена относительно центра диска и определятся величиной входного сопротивления диска, как правило, равной 50 Ом), а внешний проводник коаксиальной линии подключен к металлическому экрану.
Недостатком данного технического решения является узкая полоса рабочих частот, порядка единиц процентов, размеры металлического диска соизмеримы с длиной волны, что ограничивает частотный диапазон по габаритам, ось главного лепестка диаграммы направленности перпендикулярна металлической пластине, антенна обеспечивает однокоординатный прием или излучение сигнала.
Технической задачей данного изобретения является создание малогабаритной сверхширокополосной антенны с изотропной диаграммой направленности и с возможностью или двухкоординатного или трехкоординатного приема или излучения сигнала.
Техническая задача достигается тем, что в антенне, содержащей металлическую пластину, выполненную в форме диска, расположенную над диэлектрической подложкой, которая установлена на металлический экран, параллельный металлической пластине, и отрезок коаксиальной линии, центральный проводник одного конца которого гальванически соединен с металлическим диском, а внешний проводник гальванически соединен с металлическим экраном, при этом другой конец отрезка коаксиальной линии является выходом антенны, согласно предложенному решению металлический экран выполнен в форме диска, диаметром, равным диаметру диска металлической пластины, при этом центры металлической пластины и металлического экрана расположены на одной оси, являющейся осью антенны, причем центральный и внешний проводники одного конца отрезка коаксиальной линии подключены в центре металлической пластины и металлического экрана соответственно.
Кроме того, продольная ось отрезка коаксиальной линии совмещена с осью антенны, при этом металлический экран соединен с торцом внешнего проводника отрезка коаксиальной линии, а центральный проводник отрезка коаксиальной линии проходит через диэлектрическую подложку и торцом соединен с металлической пластиной.
Центральный проводник отрезка коаксиальной линии, расположенный между металлической пластиной и металлическим экраном, может быть выполнен в форме спирали.
Продольная ось отрезка коаксиальной линии может быть расположена посередине между металлической пластиной и металлическим экраном и перпендикулярно продольной оси антенны, при этом металлическая пластина и металлический экран с внутренней стороны соединены с центральным и внешним проводниками отрезка коаксиальной линии идентичными контактными элементами, продольная ось которых расположена на продольной оси антенны.
Первый и второй контактные элементы могут быть выполнены в форме спирали.
Продольная ось отрезка коаксиальной линии может быть расположена посередине между металлической пластиной и металлическим экраном и перпендикулярно продольной оси антенны, при этом металлическая пластина и металлический экран с внешней стороны соединены с центральным и внешним проводниками отрезка коаксиальной линии П-образными контактными элементами.
Первый и второй П-образные контактные элементы целесообразно выполнять в форме спирали.
Кроме того, в антенну введена вторая идентичная антенна, при этом антенны расположены на двух взаимно перпендикулярных пересекающихся координатных поверхностях, причем металлические пластины антенн не имеют гальванического контакта между собой, а центры металлических пластин лежат в одной плоскости, перпендикулярной одной и другой координатным плоскостям, и расположены на одинаковом расстоянии от прямой пересечения диэлектрической подложки антенны и диэлектрической подложки второй антенны.
В антенну может быть введена третья идентичная антенна, расположенная на третьей координатной поверхности, перпендикулярной двум другим координатным поверхностям, и пересекается с ними, при этом расположение центра металлической пластины третьей антенны по отношению к прямым пересечения диэлектрической подложки третьей антенны с диэлектрическими подложками первой и второй антенны одинаково по отношению расположения центров металлической пластины двух других антенн от прямой пересечения диэлектрической подложки первой антенны и диэлектрической подложки второй антенны.
Диэлектрическая подложка может быть выполнена с величиной относительной диэлектрической проницаемости, равной 1.
Выход антенны может быть подключен к входному каналу трансформатора импедансов, при этом выходной канал трансформатора импедансов является выходом антенны.
Выход антенны и выход второй антенны могут быть соединенны параллельно и подключены к общему отрезку линии передачи, являющейся выходом антенны.
Целесообразно общий отрезок линии передачи подключать к входному каналу блока трансформатора импедансов, при этом выходной канал трансформатора импедансов является выходом антенны.
Выход антенны и выход второй антенны могут быть подключены к первому и второму входному каналу блока согласующего преобразователя импедансов соответственно, при этом выходной канал блока согласующего преобразователя импедансов является выходом антенны.
Кроме того, выход антенны и выход второй антенны могут быть подключены к входным каналам блока преобразователя импедансов соответственно, выходы которых подключены к первому и второму входному каналу блока сумматора соответственно, при этом выходной канал блока сумматора является выходом антенны.
Выход антенны, выход второй антенны и выход третьей антенны могут быть соединены параллельно и подключены к общему отрезку линии передачи, являющейся выходом антенны.
Целесообразно общий отрезок линии передачи подключать к входному каналу блока трансформатора импедансов, при этом выходной канал блока трансформатора импедансов является выходом антенны.
Выход антенны, выход второй антенны и выход третьей антенны могут быть подключены к первому, второму и третьему входным каналам блока согласующего преобразователя импедансов соответственно, выход которого является выходом антенны.
Выход антенны, выход второй антенны и выход третьей антенны также могут быть подключены к первому, второму, третьему блокам трансформатора импедансов соответственно, выходы которых подключены к первому, второму входам блока сумматора соответственно, при этом выходной канал блока сумматора является выходом антенны
Каждый блок трансформатора импедансов последовательно может быть соединен с соответствующим блоком аналого-цифрового преобразователя, выходные каналы которых подключены к входным каналам блока сумматора.
Высокочастотная энергия, поступающая на вход антенны, формирует на металлических пластинах электрический ток - ток проводимости за счет того, что свободные заряды вытекают из одной обкладки импровизированного конденсатора к другой. Ввиду того, что электрическое смещение в зазоре конденсатора равно поверхностной плотности заряда на обкладках, плотность тока проводимости в обкладках равна плотности тока смещения в зазоре пластин. Равенство плотностей тока проводимости и тока смещения приводит к тому, что на границе пластин линии тока проводимости непрерывно переходят в линии тока смещения, а линии полного тока остаются замкнутыми. Поскольку только при наличии тока проводимости возникает в пластинах ток смещения, который и создает магнитное поле. А согласно правилу Био-Савара к геометрии пластин будем иметь круговое магнитное поле. (F.M.Kabbary, М.С.Hately, B.G.Steward. Maxwell equations and Crossed-field Antenna. - EWAWW, 1989, March, p.216-218). Согласно уравнениям Максвелла изменяющаяся магнитная составляющая связанного поля вызывает в его окрестности электрическое поле, а электрическое поле - магнитное поле и т.д. Таким образом формируется электромагнитная волна. (Р.Фейнман, Р.Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Том 6. Электродинамика. - М.: Мир, 1977 г.).
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция антенны, на фиг.2 - центральный проводник выполнен в форме спирали, на фиг.3 - продольная ось отрезка коаксиальной линии расположена посередине между металлической пластиной и металлическим экраном и перпендикулярно продольной оси антенн, на фиг.4 - контактные элементы выполнены в форме спирали, на фиг.5 - контактные элементы выполнены П-образной формы, на фиг.6 - контактные элементы П -образной формы выполнены в форме спирали, на фиг.7 - конструкция двухкоординатной антенны, на фиг.8 - конструкция трехкоординатной антенны, на фиг.9 - схематически показан пример подключения антенны к блоку трансформатора импеданса, на фиг.10 - схематически показан пример параллельного подключения двух однокоординатных антенн, на фиг.11-14 - схематически показаны примеры подключения двухкоординатной антенны к блокам преобразования сигнала, на фиг.15-19 - схематически показаны примеры подключения трехкоординатной антенны к блокам преобразования сигнала, на фиг.20 - схематически показано расположение координатных поверхностей, на примере трехкоординатной антенны, и соответствующее расположение координатных линий, определяющих расположение центров трех металлических пластин.
Антенна (фиг.1) содержит металлическую пластину 1, выполненную в форме диска, расположенную на диэлектрической подложке 2, которая установлена на металлический экран 3, параллельный металлической пластине 1, и отрезок коаксиальной линии 4, центральный проводник 5, одного конца которого гальванически соединен с металлическим диском 1, внешний проводник 6 гальванически соединен с металлическим экраном 3, при этом другой конец 7 отрезка коаксиальной линии 4 является выходным каналом антенны. Металлический экран 3 выполнен в форме диска, диаметром, равным диаметру диска металлической пластины 1, а центр металлической пластины 1 и центр металлического экрана 3 расположены на одной оси, являющейся осью антенны. Центральный проводник 5 и внешний проводник 6 одного конца отрезка коаксиальной линии 4 подключены в центре металлической пластины 1 и металлического экрана 3 соответственно.
В антенне (фиг.2) центральный проводник 5 отрезка коаксиальной линии 4, расположенный между металлической пластиной 1 и металлическим экраном 3, выполнен в форме спирали.
Антенна (фиг.3) выполнена с расположением продольной оси отрезка коаксиальной линии 4 посередине между металлической пластиной 1 и металлическим экраном 3 и перпендикулярно продольной оси антенны, при этом металлическая пластина 1 и металлический экран 3, со стороны диэлектрической подложки 2, соединены с центральным 5 и внешним 6 проводниками отрезка коаксиальной линии 4 первым и вторым контактными элементами 8.
В антенне (фиг.4) контактный элемент 8 выполнен в виде спирали.
Антенна (фиг.5) выполнена с расположением продольной оси отрезка коаксиальной линии 4 посередине между металлической пластиной 1 и металлическим экраном 3 и перпендикулярно продольной оси антенны, при этом металлическая пластина 1 и металлический экран 3 со стороны, противоположной диэлектрической подложке 1, соединены с центральным 5 и внешним 6 проводниками отрезка коаксиальной линии 4 первым и вторым контактными элементами 8, выполненными П-образной формы.
В антенне (фиг.6) одна из ветвей первого и второго контактных элементов 8 П-образной формы выполнена в виде спирали.
Контактный элемент 8, например, может быть выполнен: в виде металлического стержня или ленты, продольная ось которого расположена на продольной оси антенны; в форме спирали, являющейся индуктивностью; на полупроводниковом элементе с регулируемой, электрическим путем, емкостью.
Антенна (фиг.7) снабжена второй идентичной антенной, причем диэлектрические подложки 2 первой и второй антенн расположены на двух взаимно перпендикулярных пересекающихся координатных поверхностях 9 и 10 соответственно, при этом металлические пластины 1 антенн не имеют гальванического контакта между собой и расположены на одном расстоянии от прямой пересечения 11 диэлектрической подложки 1 первой антенны и диэлектрической подложки 1 второй антенны. Центры металлических пластин 1 лежат в одной плоскости, перпендикулярной диэлектрическим подложкам 2 первой и второй антенн, расположенным на координатной поверхности 9 и координатной плоскости 10 соответственно. Другой отрезок коаксиальной линии 5, подключенный к металлической пластине 1 и металлическому экрану второй антенны, является вторым выходным каналом антенны.
Антенна (фиг.8) снабжена третьей идентичной антенной, причем диэлектрическая подложка 2 третьей антенны расположена на третьей координатной поверхности 12, перпендикулярной двум другим координатным поверхностям 9 и 10, и пересекается с ними по прямым 13 и 14, а металлическая пластина 1 не имеет гальванического контакта с металлическими пластинами 1 первой и второй антенны. Расстояние от центра металлической пластины 1 третьей антенны до прямой пересечения 12 диэлектрической подложки 2 третьей антенны с диэлектрической подложкой 2 первой антенны и прямой пересечения 14 диэлектрической подложки 2 третьей антенны с диэлектрической подложкой 2 второй антенны равно расстоянию от центра металлической пластины 1 первой антенны и центра металлической пластины 1 второй антенны до прямой пересечения 14 диэлектрической подложки 2 первой антенны с диэлектрической подложкой 2 второй антенны. Другой отрезок коаксиальной линии 5, подключенный к металлической пластине 1 и металлическому экрану третьей антенны, является третьим выходным каналом антенны.
Антенна 1 (фиг.9) выполнена с подключением выходного канала 7 антенны к входному каналу блока трансформатора импеданса 15, выходной канал 16 которого является выходным каналом однокоординатной антенны.
В антенне (фиг.10) выходные каналы 7 первой антенны и второй антенны соединены параллельно и подключены к общему каналу 17, являющемуся суммарным выходным каналом двухкоординатной антенны.
Антенна (фиг.11) выполнена с подключением суммарного выходного канала 17 двухкоординатной антенны к входному каналу блока трансформатора импеданса 15, выходной канал которого является выходным каналом двухкоординатной антенны с заданным входным импедансом.
В антенне (фиг.12) выходные каналы 7 первой и второй антенн подключены к первому и второму входному каналу блока согласующего преобразователя импеданса 18 соответственно, выходной канал которого является выходным каналом двухкоординатной антенны.
Антенна (фиг.13) выполнена с подключением выходного канала 7 антенны второй антенны к входным каналам первого и второго блоков трансформатора импеданса 15 соответственно, выходные каналы блоков трансформатора импедансов подключены к первому и второму каналам блока сумматора 19 соответственно, выходной канал которого является выходным каналом двухкоординатной антенны.
В антенне (фиг.14) блоки трансформатора импеданса 15 последовательно соединены с входными каналами первого и второго блоков аналого-цифрового преобразователя 20, выходной канал которых подключен к первому и второму входным каналам блока сумматора 19 соответственно, выходной канал которого является выходным каналом двухкоординатной антенны. Блок сумматора 19 может быть заменен на блок комбинационного переключателя, структурная схема при этом не меняется.
Антенна (фиг.15) выполнена с параллельным соединением выходного канала 7 первой, второй и третьей антенн и подключением к общему каналу 17, который является выходным каналом трехкоординатной антенны.
Антенна 1 (фиг.16) выполнена с подключением выходного канала 17 трехкоординатной антенны к входному каналу блока трансформатора импеданса 15.
Антенна (фиг.17) выполнена с подключением выходных каналов 7 первой, второй, третьей антенн к первому, второму и третьему входным каналам блока согласующего преобразователя импеданса 18, выходной канал которого является выходным каналом трехкоординатной антенны.
На фиг.18 выходные каналы 7 первой, второй и третьей антенн подсоединены к входному каналу первого, второго и третьего блоков трансформатора импеданса 15 соответственно, выходные каналы которых подключены к первому, второму и третьему входным каналам блока сумматора 19 соответственно, выходной канал которого является выходным каналом трехкоординатной антенны.
На фиг.19 первый, второй, третий блоки трансформатора импеданса 15, последовательно соединены с входными каналами первого, второго и третьего аналого-цифровых преобразователей 20, выходные каналы которых подключены к входным каналам блока сумматора 19 соответственно, выходной канал которого является выходным каналом трехкоординатной антенны. Блок сумматора 19 может быть заменен на блок комбинационного переключателя, структурная схема при этом не меняется.
На фиг.20 схематически показано взаимное расположение на первой координатной поверхности 9 центра 21 металлической пластины 1 антенны, на второй координатной поверхности 10 центра 22 металлической пластины 1 второй антенны и на третьей координатной поверхности 12 центра 23 металлической пластины 1 третьей антенны, а также прямой пересечения 11 первой координатной поверхности 9 с второй координатной поверхностью 10, прямой пересечения 13 первой координатной поверхности 9 с третьей координатной поверхностью 12, прямой пересечения 14 второй координатной поверхности 10 с третьей координатной поверхностью 12, и взаимно перпендикулярное расположение плоскости 24 и 24, определяющее взаимное положение центров металлической пластины 1 первой, второй и третьей антенн.
Антенна работает следующим образом.
В режиме приема падающая высокочастотная электромагнитная волна на металлической пластине 1 и металлическом экране 3 наводит поверхностный электрический ток проводимости, равный по величине плотности тока смещения в зазоре между металлической пластиной 1 и металлическим экраном 3, создает на отрезке коаксиальной линии 4 напряжение, соответствующее принятому высокочастотному сигналу.
Антенна имеет линейную поляризацию с ориентацией вектора поляризации перпендикулярно металлической пластине 1 и металлическому экрану 3 и диаграмму направленности, идентичную диаграмме направленности штыря. Расположение металлической пластины 1 и металлического экрана 3 на одной координатной поверхности обеспечивает однокоординатный прием сигнала. Диаметр металлической пластины 1 и металлического экрана 3 дисков, образующих антенну, выбирается много меньше длины волны, что определяет излучающие свойства антенны и обеспечивает сверхширокополосность при малых габаритах, а круговое магнитное поле формирует изотропную диаграмму направленности.
Выполнение центрального проводника 5 отрезка коаксиальной линии 4 антенны в форме спирали (фиг.2) позволяет обеспечивать согласование антенны с запитывающей коаксиальной линией и менять резонансную частоту. Антенна, состоящая из двух или трех идентичных антенн, расположенных на двух или трех взаимно перпендикулярных пересекающихся координатных поверхностях, обеспечивает пространственный двухкоординатный или трехкоординатный прием сигнала. Величина наведенного сигнала в каждой антенне определяется направлением источника излучения и его диаграммой направленности относительно соответствующей антенны.
Параллельное соединение отрезков коаксиальных линий 7 двух- или трехкоординатных антенн (фиг.10, фиг.15) позволяет определить суммарную (интегральную) напряженность электрического поля в полупространстве для двухкоординатной антенны и в объеме для трехкоординатной антенны в месте расположения антенны.
Подключение выходного отрезка 17 двух- или трехкоординатной антенны к блоку трансформатора импедансов (фиг.11, фиг.16) позволяет формировать требуемое волновое сопротивление на выходном отрезке коаксиальной линии блока трансформатора импедансов.
Подключение к блоку согласующего преобразователя импеданса 18 отрезков коаксиальных линий 7 двухкоординатной антенны (фиг.12) или трехкоординатной антенны (фиг.17) позволяет согласовывать реактивные составляющие антенн и формировать требуемое выходное волновое сопротивление на выходном отрезке коаксиальной линии.
Использование блока сумматора 19 (фиг.13 и фиг.14) обеспечивает согласованное суммирование приемных сигналов на выходной канал двухкоординатной антенны или трехкоординатной антенны.
Суммарный выходной канал может быть выполнен, например, на коаксиальной линии или на полосковой линии.
Суммарный выходной канал при параллельном соединении двух или трех антенн обеспечивает интегральный - суммарный прием сигнала одновременно по двум или трем координатам. При подключении к комбинационному переключателю на выходном канале антенны формируется либо однокоординатный прием по любой из координат положения антенны в пространстве, либо суммарный двух- или трехкоординатный прием. Суммарный выходной канал может быть выполнен, например, на коаксиальной линии или на полосковой линии.
Включение между блоками трансформаторов импеданса 15 и блоком сумматора 19 блоков аналого-цифрового преобразователя 20 позволяет осуществлять обработку принятого сигнала в цифровой форме.