Фрактальный излучатель
FRACTAL RADIATOR

Изобретение относится к антенной технике, а более конкретно к печатным антеннам, и предназначено для построения бортовых антенных решеток радиотехнических комплексов спутникового базирования.
Известна конструкция симметричного вибраторного излучателя [1 - Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны.ю М.: Энергия, 1975, с. 335-337]. Полуволновой вибратор состоит из двух плеч [1 - рис. 9-1а, с. 336], сделанных из тонкого проводника, либо на печатной плате. В случае необходимости излучения в одном направлении вибратор расположен над металлическим экраном на расстоянии четверть длины волны от него. Также известны вибраторы с большой шириной плеч и настроечными шлейфами [1 - рис. 9-26, с. 336], имеющими несколько лучшее согласование.
Недостатками данного излучателя являются большая длина плеч, узкая рабочая полоса частот.
Известна конструкция фрактальной антенны [2 - Guterman et al, Microstrip Fractal Antennas for Multistandard Terminals // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2004. vol. 3. pp.351-354]. Излучатель выполнен на печатной плате, помещенной над металлическим экраном. Кромка металлизации имеет фрактальную форму (кривая Коха). Один край антенны закорочен на экран, второй край соединен с коаксиальным кабелем. Благодаря, использованию фрактальной структуры размер антенны уменьшен на 23,8% в сравнении с прямоугольной печатной антенной с прямыми (нефрактальными) кромками.
Недостатками этого излучателя являются узкая рабочая полоса антенны (1,74-2,2 ГГц по уровню коэффициента стоячей волны (КСВ), равного 3), антенна излучает в обе полусферы и является ненаправленной, кроме того, антенна принимает только одну поляризацию.
Наиболее близким по сущности к изобретению является излучатель [3 - U.S. Patent US 6,842,141 В2, Jan. 11, 2005], взятый за прототип. Конструкция излучателя [3 - Fig. 20A, sheet 16 of 26] содержит сплошной металлический экран и верхнюю диэлектрическую плату (диэлектрическая проницаемость 3,55) с четырьмя металлическими плечами в форме четырехугольников с одним прямым углом, обращенным к центру излучателя, и противоположными вершинами, вытянутыми радиально. Между экраном и платой помещен вспененный диэлектрик. По крайней мере, два коаксиальных фидера присоединены к внутренним углам противоположных пар излучающих элементов. Рабочая полоса по уровню КСВ 2.5 составляет 1,75:1 [3 - Fig. 21B, sheet 17 of 26].
Недостатком этого излучателя является то, что антенна имеет высокий профиль, высота излучателя над экраном 0,172 длины волны на нижней границе рабочего диапазона частот. Кроме того, антенна имеет большой вес и узкую полосу согласования.
Задачей, на решение которой направлено изобретение является уменьшение массы и размеров излучателя, что является основным требованием, предъявляемым к устройствам, размещаемым на борту радиотехнических комплексов спутникового базирования, расширение полосы рабочих частот излучателя, получение однонаправленного излучения и равномерного коэффициента усиления в рабочей полосе частот излучателя.
Для решения поставленной задачи предлагается фрактальный излучатель, содержащий две параллельные металлизированные диэлектрические платы одна над другой, из них верхняя металлизированная диэлектрическая плата крестообразной формы с четырьмя вибраторными плечами в слое металлизации и экран соединены через симметрирующее устройство, состоящее из двух ортогонально соединенных металлизированных диэлектрических плат с проводящими полосковыми линиями, с одной стороны прикрепленными к точке возбуждения плеч вибраторов, с другой стороны - к экрану и питающей линии, при этом металлизированные диэлектрические платы симметрирующего устройства перпендикулярны к экрану.
Согласно изобретению, кромка металлизации плеч вибраторов имеет фрактальную структуру, верхняя металлизированная диэлектрическая плата обрезана по контуру металлизации с небольшим отступом, в металлизации ее и экрана выполняется перфорация отверстиями разного размера, в металлизации верхней металлизированной диэлектрической платы выполнены узкие поперечные щели, на симметрирующем устройстве выполнены индуктивные элементы, при этом общая длина плеч пары вибраторов составляет не более 1/2λ, расстояние между металлизацией верхней металлизированной диэлектрической платы и экраном составляет не более 1/7λ, где λ - длина волны в свободном пространстве для нижней границы рабочей полосы частот фрактального излучателя.
Проведенный сравнительный анализ заявленного изобретения и прототипа показывает, что прототип изготовлен на плате со сплошной металлизацией, что делает излучатель прототипа более тяжелым, а в предлагаемом изобретении используются тонкие печатные платы со сделанной в них перфорацией. Прототип имеет высоту профиля 0,172λ, а у предлагаемого изобретения расстояние между металлизацией верхней металлизированной диэлектрической платы и экраном составляет не более 1/7λ, что делает его более компактным. У прототипа экран изготовлен из металлической пластины, а в предлагаемом изобретении в качестве экрана используется печатная металлизированная диэлектрическая плата, что снижает массу излучателя. У прототипа пространство между плечами вибратора и экраном заполнено вспененным диэлектриком, а у предлагаемого изобретения между плечами вибраторов и экраном находится воздух, что делает предлагаемое изобретение более легким.
Техническим результатом изобретения является получение излучателя меньшей массы, уменьшенных размеров, с более широкой рабочей полосой частот, с однонаправленным излучением и равномерным коэффициентом усиления излучателя в его рабочей полосе частот.
Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого фрактального излучателя из литературы неизвестно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На чертеже показан внешний вид фрактального излучателя.
Фрактальный излучатель  состоит из левого плеча 1, правого плеча 2, верхнего плеча 3 и нижнего плеча 4, выполненных на металлизированной диэлектрической плате 5 (верхняя плата) крестообразной формы. Применение фрактальной кромки металлизации расширяет диапазон рабочих частот за счет уменьшения активной части входного сопротивления фрактального излучателя. Для уменьшения веса фрактального излучателя в металлизации металлизированной диэлектрической верхней платы 5 сделана перфорация круглыми отверстиями разного диаметра, а также есть отверстия 6 вытянутой шестиугольной формы. Кроме того, для уменьшения веса металлизированной диэлектрической платы 5, она обрезана по контуру металлизации с небольшим отступом от кромки металлизации. Металлизированная диэлектрическая плата 5 через две одинаковые ортогонально соединенные металлизированные диэлектрические платы, являющиеся симметрирующим устройством 7, соединена с экраном 8, выполненным на еще одной тонкой металлизированной диэлектрической плате, в которой сделана перфорация отверстиями 9 для уменьшения веса экрана. Металлизированные диэлектрические платы симметрирующего устройства 7 перпендикулярны к экрану 8. Симметрирующее устройство 7 содержит индуктивные элементы для уменьшения емкостной составляющей входного импеданса, что приводит к получению более широкополосного согласования. На обратной стороне металлизированных диэлектрических плат симметрирующего устройства 7 находится полосковая линия переменной ширины (не показана), необходимая для согласования фрактального излучателя с питающей линией (не показана), расположенной на экране 8. Питающая линия, в свою очередь, соединена с коаксиальным разъемом (не показан), необходимым для снятия или подачи сигнала. Металлизированные диэлектрические платы симметрирующего устройства 7, благодаря наличию специальных вырезов, вставляются друг в друга таким образом, что образуют единое целое. Общая длина плеч пары вибраторов составляет не более 1/2λ, а расстояние между металлизацией верхней металлизированной диэлектрической платы 5 и экраном 8 составляет не более 1/7λ, где λ - длина волны в свободном пространстве для нижней границы рабочей полосы частот фрактального излучателя.
Фрактальный излучатель изготавливается на верхней металлизированной диэлектрической плате 5 методом фотолитографии, отверстия на металлизированной диэлектрической плате 5 и экране 8 изготавливаются методом фрезерования. Металлизированная диэлектрическая плата 5 присоединяется к симметрирующему устройству 7 методом пайки. Экран 8 присоединяется ко второму концу симметрирующего устройства 7 методом пайки. Учитывая легкость и малую толщину используемых печатных плат, метод соединения пайкой является достаточно надежным для обеспечения прочности требуемой для применения на земной орбите.
0
0
0
0
0
Наличие у предлагаемого излучателя фрактальной структуры кромки и перфорации в печатных платах значительно снижает массу фрактального излучателя в сравнении с прототипом. Симметрирующее устройство 7 позволяет сбалансировать сигналы, идущие на противоположные плечи вибраторов. Индуктивные элементы, расположенные на симметрирующем устройстве 7, позволяют дополнительно расширить рабочую полосу частот фрактального излучателя, что дает уровень КСВ менее 2,5 в полосе частот от 1,02 F до 2,6 F. Благодаря наличию поперечных щелей в металлизации плеч вибраторов, снижена неравномерность коэффициента усиления фрактального излучателя до перепада в 2,1 дБ во всей рабочей полосе частот фрактального излучателя и всего лишь 1,25 дБ в полосе частот от 1,1 F до 2,6 F, где F - нижняя частота рабочей полосы частот фрактального излучателя. Наличие четырех плеч 1, 2, 3 и 4 позволяет принимать либо линейные поляризации, либо круговую поляризацию. Развязка между ортогонально расположенными плечами фрактального излучателя составляет менее -20 дБ.
Фрактальный излучатель служит для приема или передачи сверхвысокочастотного излучения. В режиме передачи на один или оба коаксиальных разъема подается СВЧ сигнал в рабочем диапазоне частот. Затем сигнал проходит через симметрирующее устройство 7, и попадает на излучающую структуру на металлизированной диэлектрической плате 5, в ней возбуждаются высокочастотные токи, создающие электромагнитное излучение. В режиме приема происходит обратный процесс, когда излучение принимается из окружающего пространства, а съем сигнала происходит через высокочастотный разъем. Экран 8 ограничивает диаграмму направленности фрактального излучателя так, что излучение не распространяется назад за экран. Симметрирующее устройство 7 расширяет рабочую полосу и позволяет возбуждать противоположные плечи фрактального излучателя синфазно. Благодаря наличию двух ортогональных пар плеч фрактальный излучатель может работать на двух линейных поляризациях либо на круговой.
2
0
0
0
0
0
Для проверки работоспособности предлагаемого устройства был изготовлен макет, испытания которого показали совпадение полученных характеристик с расчетными, в том числе удельная масса фрактального излучателя как элемента антенной решетки составила 1,6 кг/м. Рабочая полоса частот макета фрактального излучателя составила от 1 F до 2.6 F, где F - нижняя частота рабочей полосы фрактального излучателя. Получено широкополосное согласование в полосе частот от 1 F до 2.6 F по уровню КСВ 2,5.