АНТЕННА
ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к малогабаритным антеннам, и может найти применение 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.
Недостатками данного технического решения являются узкая полоса рабочих частот, большие продольные и поперечные размеры антенны.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является полосковая антенна (Панченко Б.А., Нефедов Е.И. // Микрополосковые антенны // М.: Радио и связь, 1986 // Стр. 89, рис 3.1.а), содержащая сигнальный металлический диск, расположенный на диэлектрической подложке, которая установлена на металлический экран, параллельно сигнальному металлическому диску. Сигнальный металлический диск 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 сигнального металлического диска соизмеримы с длиной волны, а размеры металлического экрана значительно больше размеров сигнального металлического диска, ось главного лепестка диаграммы направленности перпендикулярна плоскости сигнального металлического диска, антенна излучает поперечные электромагнитные волны.
Технической задачей данного изобретения является создание малогабаритной сверхширокополосной 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 земляная металлическая пластина выполнена в форме металлического диска, причем центры сигнального металлического диска и земляного металлического диска расположены на одной оси, ориентированной перпендикулярно их плоскости, при этом введены дополнительный сигнальный металлический диск, расположенный на дополнительной диэлектрической подложке, установленной на дополнительном земляном металлическом диске, идентичные сигнальному металлическому диску, диэлектрической подложке и земляному металлическому диску соответственно, а центры дополнительного сигнального металлического диска и дополнительного земляного металлического диска расположены на одной оси с сигнальным металлическим диском и земляным металлическим диском, причем центры сигнального металлического диска и дополнительного сигнального металлического диска гальванически соединены между собой центральной металлической перемычкой, которая посередине соединена с центральным проводником одной из сторон отрезка коаксиальной линии сигнальной металлической перемычкой, а земляной металлический диск и дополнительный земляной металлический диск по центру соединены одинаковыми земляными металлическими перемычками П-образной формы с внешним проводником одной из сторон отрезка коаксиальной линии, при этом электрическая длина каждой земляной металлической перемычки равна сумме электрической длины сигнальной металлической перемычки и половине электрической длины центральной металлической перемычки.
Диаметр земляного металлического диска может быть равным или больше диаметра 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.
Пара сигнальных металлических рефлекторов и пара земляных металлических рефлекторов могут быть гальванически установлены на сигнальный и дополнительный сигнальный металлические диски и земляной и дополнительный земляной металлические диски соответственно, при этом ось симметрии металлических рефлекторов совмещена с осью этих дисков.
Сигнальные металлические рефлекторы и земляные металлические рефлекторы могут быть выполнены в виде усеченного конуса или шарового слоя, малым основанием которого установлены на соответствующие металлические диски, при этом диаметр малого основания металлического рефлектора равен диаметру металлического диска, на который он установлен.
Величина относительной диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки может быть равна единице.
Высокочастотная энергия, поступающая на вход антенны, формирует на каждой паре металлических дисков электрический ток - ток проводимости за счет того, что свободные заряды вытекают из одного диска к другому. Ввиду того что электрическое смещение в зазоре металлических дисков равно поверхностной плотности заряда на дисках, плотность тока проводимости в дисках равна плотности тока смещения в зазоре дисков. 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 дисках ток смещения, который и создает магнитное поле. Согласно правилу Био-Савара к геометрии пластин образуется круговое магнитное поле (F.M.Kabbary, M.C.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.). Таким образом, сигнальный металлический диск на соответствующем ему земляном металлическом диске возбуждает электромагнитное поле, которое излучается в свободное пространство, формируя изотропную диаграмму направленности, подобную несимметричному вибратору.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструкция антенны, диаметр сигнального металлического диска которой меньше диметра земляного металлического диска, а диаметр диэлектрической подложки которой равен диаметру сигнального металлического диска; на фиг.2 - сечение антенны (фиг.1) в плоскости, проходящей через продольную ось антенны (далее - продольное сечение антенны), выполненной с одинаковыми диаметрами сигнального металлического диска, диэлектрических подложек и земляных металлических дисков; на фиг.3 и фиг.4 - продольное сечение антенны, выполненной с сигнальными и земляными металлическими рефлекторами в виде усеченного конуса и в виде шарового слоя соответственно с малым основанием одинакового диаметра; на фиг.5 - продольное сечение антенны, выполненной с сигнальными и земляными металлическими рефлекторами в виде усеченного конуса с малым основанием различного диаметра; на фиг.6 - продольное сечение антенны, выполненной с одинаковым диаметром земляного металлического диска и диэлектрической подложки, большим диаметра сигнального металлического диска.
Антенна (см. фиг.1) содержит сигнальный металлический диск 1, расположенный на диэлектрической подложке 2, которая установлена на земляной металлический диск 3, и отрезок коаксиальной линии 4. Дополнительный сигнальный металлический диск 5 расположен на дополнительной диэлектрической подложке 6, которая установлена на дополнительном земляном металлическом диске 7. Центры дополнительного сигнального металлического диска 5 и дополнительного земляного металлического диска 7 расположены на одной оси с сигнальным металлическим диском 1 и земляным металлическим диском 3, а центры сигнального металлического диска 1 и дополнительного сигнального металлического диска 5 гальванически соединены между собой центральной металлической перемычкой 8, которая посередине соединена с центральным проводником 9 одной из сторон отрезка коаксиальной линии 4 сигнальной металлической перемычкой 10, а центры земляного металлического диска 3 и дополнительного земляного металлического диска 7 гальванически соединены одинаковыми земляными металлическими перемычками 11 П-образной формы с внешним проводником 12 одной из сторон отрезка коаксиальной линии 4. Сигнальные и земляные металлические рефлекторы 13 и 14 (см. фиг.3, фиг.4, фиг.5) установлены на сигнальный и дополнительный сигнальный металлические диски 1 и 5 и на земляной и дополнительный земляной металлические диски 3 и 7 соответственно.
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 и сигнальной металлической перемычке 10 высокочастотный электрический ток через центральную металлическую перемычку 8 синфазно запитывает сигнальный металлический диск 1 и дополнительный сигнальный металлический диск 5, а по внешнему проводнику 12 отрезка коаксиальной линии 4 высокочастотный электрический ток через земляные металлические перемычки 11 запитывает синфазно земляной металлический диск 3 и дополнительный земляной диск 7, противофазно по отношению к сигнальным металлическим дискам.
⊥
⊥
Таким образом, сигнальный и дополнительный сигнальный металлические диски 1 и 5 возбуждают поперечные электромагнитные волны в области соответствующих земляного и дополнительного земляного металлических дисков 3 и 7 и соответственно поверхностные токи проводимости. Возбуждаемый поверхностный ток проводимости на поверхности каждого земляных металлических дисков 3 и 7 порождает вектор электрического поля Е, который характеризуется двумя составляющими электрического поля:  и Е. Первая из них параллельна продольной оси антенны, а вторая - ортогональна. 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 земляном и дополнительном земляном металлических дисках 3 и 7 в зазоре происходит формирование и излучение электромагнитной волны.
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 сигнальных и земляных металлических рефлекторов 13 и 14 позволяет улучшить согласование и расширить диапазон рабочих частот.
Оптимальный выбор диаметра сигнального металлического диска, земляного металлического диска, диаметра и диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки и диаметра рефлекторов позволяет создавать конструкции антенн на заданные электрические характеристики в широком частотном диапазоне.