КОЛЬЦЕВАЯ ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА
ANNULAR SLOT ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиосистемах передачи информации, предъявляющих требования высокой степени электромагнитной совместимости конструктивных элементов системы, например, в малогабаритных космических аппаратах (КА).
Кольцевая щелевая антенна, состоящая из металлического цилиндра и резонатора, который вместе с цилиндром образует кольцевую излучающую щель шириной h<<λ (λ - длина волны) и диаметром D.
Из предшествующего уровня техники известны вибраторные антенны, расположенные на металлических трубах и излучающие в направлении оси трубы, как в обе стороны [1], так и в одном направлении [2]. При этом сама труба должна иметь две противоположно расположенные продольные щели длиной λ/2 (где λ - длина волны), а внутри трубы ничего не должно находиться, кроме коаксиального кабеля (см. RU 2223576, H01Q 9/04, опубликовано 10.07.2001). Недостатками этих антенн является то, что антенна имеет большие продольные размеры (не менее λ/2), а труба является оплеткой питающего коаксиального кабеля.
Известны кольцевые щелевые антенны, располагаемые на телах вращения, в частности на круглом металлическом цилиндре [1] (см. Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов Антенны. Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. Изд. 2-е. М.: «Энергия», 1975, стр. 352), показаны на фигуре 1.
Кольцевая щелевая антенна состоит из металлического цилиндра 1 и резонатора 2, который вместе с цилиндром образует кольцевую излучающую щель 3 шириной h<<λ (λ - длина волны) и диаметром D. Питание к антенне подводится коаксиальным кабелем 4 в точке А.
Напряженность электрического поля вдоль щели распределена по закону синуса. Вследствие этого щель излучает вдоль оси цилиндра и диаграмма направленности слабо зависит от его длины. Указанная антенна является наиболее близким аналогом и выбрана в качестве прототипа предполагаемого изобретения.
ц
в
в
Недостатками такой антенны являются значительные ее габаритные размеры, которые определяются длиной коаксиального резонатора (λ/2) и его необходимым диаметром [0.5π(D+D)≥λ] (где λ - длина волны в резонаторе), так и то, что антенна излучает вдоль металлического цилиндра как вверх, так и вниз (отношение вверх/вниз γ=1), что затрудняет использование таких антенн из-за значительного влияния на процесс излучения окружающих антенну элементов конструкции устройства (например, космического аппарата).
Технической задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а также уменьшение габаритных размеров антенны.
д
ц
д
Поставленная задача решается тем, что кольцевая щелевая антенна состоит из металлического цилиндра и резонатора, который вместе с цилиндром образует кольцевую излучающую щель шириной h<<λ, (λ - длина волны) и диаметром D, резонатор выполнен в виде двух одинаковых металлических дисков диаметром D, которые расположены в параллельных плоскостях соосно с цилиндром на расстоянии h друг от друга и гальванически с ним соединены, при этом диаметр цилиндра D от 0.005 до 0.35λ, а диаметр дисков равен D=(D+Δ), где величина Δ зависит от диаметра цилиндра (подбирается экспериментально) и не превышает λ.
в
в
д
н
н
в
Преимущественно, для увеличения отношения γ излучения вперед/назад диаметр верхнего диска D (0.9D≤D≤D) уменьшается, а диаметр нижнего диска D увеличивается, причем чем больше разница диаметров (D-D), тем больше отношение γ.
Преимущественно, под нижним диском можно располагать конструктивные элементы.
Преимущественно, над верхним диском располагаются элементы конструкции по размеру меньше, чем верхний диск.
з
в
Преимущественно, диски антенны, работающей в диапазоне дециметровых длин волн, расположены на круглом волноводе питающего излучающую в сантиметровом диапазоне длин волн зеркальную антенну малого космического аппарата, диаметр основного зеркала которой D≤D
Предложенное изобретение поясняется чертежами:
фиг. 1 - кольцевая щелевая антенна на металлическом цилиндре (прототип);
фиг. 2 - диаграмма направленности при одинаковых дисках;
фиг. 3 - поперечное сечение предлагаемой антенны.
ц
ц
ц
в
в
11
11
в
Как показано на фиг. 1, кольцевая щель 3 выполняется в виде короткозамкнутого с одной стороны отрезка коаксиальной линии передачи (резонатора), образованной металлическим цилиндром 1, диаметром D и металлическим стаканом 2 диаметром D. Работа антенны не зависит от материала заполнения цилиндра 1. Питание к антенне подводится коаксиальным кабелем 4 в точке А. Толщина щели h=0.5(D-D)<<λ. Если выполняется условие 0.5π(D+D)>λ (где λ - длина волны в резонаторе) в резонаторе кроме волны типа ТЕМ, возбуждается волна типа Hкоаксиальной линии. Если длина стакана L=λ/2, то волна типа ТЕМ в щели будет подавлена, а будет существовать волна типа H, у которой длина волны в линии λ>λ.
д
д
в
н
ц
д
Как показано на фиг. 3, в предлагаемой кольцевой щелевой антенне, резонатор выполнен в виде двух одинаковых металлических дисков диаметром D (в этом случае D=D=D), которые расположены в параллельных плоскостях соосно с цилиндром на расстоянии h друг от друга и гальванически с ним соединены, при этом диаметр цилиндра D от 0.005 до 0.35λ, а диаметр дисков равен D=(D+Δ), где величина Δ зависит от диаметра цилиндра (подбирается экспериментально) и не превышает λ.
B
в
д
н
н
в
Для увеличения отношения γ излучения вперед/назад диаметр верхнего диска D (0.9D≤D≤D) уменьшается, а диаметр нижнего диска D увеличивается, причем чем больше разница диаметров (D-D), тем больше отношение γ.
Под нижним диском можно располагать конструктивные элементы.
Над верхним диском располагаются элементы конструкции по размеру меньше, чем верхний диск.
з
в
Диски антенны, работающей в диапазоне дециметровых длин волн, расположены на круглом волноводе питающего излучающую в сантиметровом диапазоне длин волн зеркальную антенну малого космического аппарата, диаметр основного зеркала которой D≤D.
При одинаковых дисках предлагаемая антенна имеет ДН [зависимость F(θ)], показанную на фиг. 2.
н
в
Такая антенна имеет отношение γ вперед/назад, равное единице (0 дБ), что ограничивает применение ее в малогабаритных радиосистемах из-за влияния металлических элементов конструкции системы, расположенных сзади антенны. Для увеличения величины γ предлагается увеличить диаметр нижнего диска D тем больше, чем больше величина γ. При этом необходимо скорректировать диаметр верхнего диска D, уменьшив его не более чем на 10% (подбирается экспериментально).
Далее приведены характерные соотношения для диаметров и величины γ.
ц
н
в
При D=0.075λ и D=D=0.62λ, γ=0 дБ.
ц
н
в
При D=0.075λ D=0.64λ и D=0.56λ, γ=4.4 дБ.
ц
н
в
При D=0.075λ D=0.67λ, и D=0.556λ, γ=6.3 дБ.
з
в
Экспериментально установлено, что предлагаемая антенна позволяет размещать над верхнем диском элементы конструкции радиоустройств, поперечный размер которых D не превышает D. Так же можно расположить элементы конструкции под нижним диском. Это свойство предлагаемой антенны позволило обеспечить электромагнитную совместимость антенн КА, работающих в сантиметровом диапазоне волн (f=8.2 ГГц) и дециметровом (f=435 МГц). Эскиз такого устройства показан на фигуре 3.
Устройство работает следующим образом.
ц
н
в
з
Питающий коаксиальный кабель 4 располагается на нижнем диске 2, экран кабеля гальванически соединен с нижним диском, центральная жила коаксиального кабеля 3 гальванически соединена с верхним диском 1. При этом происходит возбуждение токов на поверхности верхнего и нижнего диска, что приводит к излучению электромагнитных волн антенны в заданных направлениях. У этой антенны D=45 мм, D=450 мм, D=382 мм, D=320 мм, величина γ у этой антенны равна 7.7 дБ.