ПОЛОСКОВАЯ СИММЕТРИЧНАЯ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА

Полосковая симметричная вибраториая антенна
Полезная модель относится к радиотехнике, в частности к антеннам на полосковых элементах, и может быть использовано в качестве антенного элемента в фазированных антенных решетках (ФАР).
Известна печатная дипольная антенна, содержащая полосковую линию и полосковый вибратор. Возбуждение вибратора осуществляется с помощью двухпроводной линии, проводники которой и вибраторы (диполи), являющиеся продолжением повернутых на 90° проводников, вьтолнены с двух сторон диэлектрической подложки (заявка Японии № 57-23451, 1982, МПК Н 01Q 9/16). Недостатком данной антенны являются высокие потери на из.11учение в полосковой линии передачи, т.к. двухпроводная линия излучает сверхвысокочастотную (СВЧ) энергию.
Известна вибраторная антенна, содержащая расположенный на одной стороне диэлектрической подложки диполь, к плечам которого подсоединены сужающиеся проводники, являющиеся входами антенны, между которыми и параллельно им расположен дополнительный проводник, соединенный с одним из плеч диполя. Сужающиеся проводники и дополнительный проводник замыкаются проводящей перемычкой, установленной с возможностью перемещения вдоль их общей оси (авторское свидетельство СССР № 1210165, 1986, МПК Н 01Q 9/16). Недостатком этого устройства является сложность системы возбуждения антенны.
В известной микрополосковой дипольной антенне, содержащей соединенные между собой полосковыми четвертьволновыми изоляторами и размещенные на диэлектрической подложке симметричный диполь и рефлектор, линия питания выполнена в виде расположенных между четвертьволновыми изоляторами двух проводящих полосков, образующих щелевую линию, при этом первые концы проводящих полосков линии питания подсоединены к соответствующим плечам диполя, один из вторых концов соединен с рефлектором, а другой отделен от него зазором, равным ширине щели щелевой линии, а расстояние между токопроводящим полоском линии питания и ближайшим к нему полоском изолятора выбрано больше ширины щели щелевой линии не менее чем в десять раз (авторское свидетельство СССР № 943934, 1982, МПК Н 01Q 9/28). Недостатком описанной антенны также является сложность системы ее возбуждения.
мгле  Н 01Q 9/28, Н 01Q 21/00
Известен симметричный балансный диполь, содержащий две диэлектрические пластины, наложенные одна на другую, с микрополосковыми диполями, расположенными на внешних поверхностях пластин. Питающая микрополосковая линия расположена на внутренней поверхности одной из пластин и перекрывает основание диполя от своего основания до точки перекрытия соответствующих плеч диполя. Питающая линия изогнута на четверти длины волны рабочей частоты и перекрывает также другое основание диполя так, чтобы создать СВЧ импеданс связи, не контактирующий с диполем (заявка Франции № 2388420, 1978, МКИ Н 01Q 9/44). Недостаток данной конструкции заключаепгся в том, что при малой толщине диэлектрических пластин имеют место больщие потери СВЧ мощности, а при большой толщине диэлектрических пластин образуется в зоне излучения достаточно большой объем с наличием металла. Наличие металла (металлических пластинок) в раскрыве Ф.АР может привести к появлению поверхностной волны и «ослеплению ФАР для некоторых углов отклонения луча.
Наиболее близкой к заявленной полезной модели (прототипом) является симметричная вибраторная акгенна, содержащая две диэлектрические пластины, на внешних сторонах которых нанесены металлические полоски, образующие полуволновые полосковые вибраторы с основаниями, в каждом из которых посередине и перпендикулярно плечам вибратора прорезана щель, а также нанесенный на внутренней стороне одной из диэлектрических пластин центральный полосковый проводник Г-образной формы, первое плечо которого расположено параллельно и напротив одной из полосок оснований, а второе плечо - параллельно и напротив одного из плеч вибраторов (патент США № 3845490, 1974, МПК Н 01Q 9/16, НКЛ 343/821).
Причинами, препятствующими достижению указанного ниже технического результата при использовании описанной антенны - прототипа, являются: недостаточная стабильность фаз из-за разброса величины диэлектрической постоянной по длине диэлектрических пластин и наличия зазора между ними; излишняя масса конструкции и образование в зоне излучения достаточно большого объема с наличием металла в случае применения диэлектрических пластин больщой толщины, что приводит к «ослеплению ФАР для некоторых углов отклонения луча, либо высокие потери СВЧ - энергии в случае применения тонких диэлектрических пластин. Это особенно заметно в ФАР, антенные элементы которых включают множество симметричных вибраторных антенн с системой распределения СВЧ - сигнала между ними. В таких ФАР, имеющих, например, в вертикальной плоскости диаграмму направленности специальной формы (в частности, косекансной), длина питающей линии самого вибратора составляет четверть длины волны, а длина полосковой линии распределения СВЧ - сигнала - несколько длин волн.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Заявленной полезной моделью решается задача повышения стабильности фаз, а также уменьшения массы и снижения потерь СВЧ - энергии в полосковой симметричной вибраторной антенне.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной симметричной вибраторной антенне, содержащей диэлектрическую пластину, на одной стороне которой нанесены металлические полоски, образующие полосковый вибратор с основанием, в котором посередине и перпендикулярно плечам вибратора прорезана щель, а также нанесенный на другой стороне диэлектрической пластины первый центральный полосковый проводник, первое плечо которого расположено параллельно основанию, а второе плечо - параллельно и напротив одного из плеч вибратора, согласно изобретению диэлектрическая пластина помещена с воздушными зазорами между двумя параллельными ее плоскости проводящими экранами, передние кромки которых соединены посредством ортогонально установленной металлической пластины, в которой выполнены прорезь для прохода части диэлектрической пластины и прорезь для прохода первого центрального полоскового проводника без электрического контакта с ней, при этом полосковый вибратор и часть первого центрального полоскового проводника нанесены на выступающей из прорези части диэлектрической пластины, основание полоскового вибратора имеет электрический контакт с металлической пластиной, в части основания полоскового вибратора, находящейся между параллельными проводящими экранами и являющейся вторым центральным полосковым проводником, выполнен воздушный зазор длиной 3-30 мм, начинающийся от внутренней поверхности металлической пластины, второй центральный полосковый проводник имеет электрический контакт с первым центральным полосковым проводником, который в своей часги, находящейся у конца выступающего участка диэлектрической пластины, заканчивается шлейфом Т-образной формы, продольная осевая линия первого плеча которого совпадает с продольной осевой линией щели, а третье плечо по длине выполнено короче второго плеча и расположено параллельно и напротив другого плеча полоскового вибратора.
Полосковый вибратор нанесен на поверхности выступающего участка диэлектрической пластины так, что длина от продольной осевой линии его плеч до внешней поверхности металлической пластины составляет (0,1 - 3)Х, а длина щели, прорезанной в основании полоскового вибратора, составляет (0,1-0,25)Х где Х- рабочая длина волны электромагнитного поля.
Второе плечо Т-образного шлейфа на конце первого центрального полоскового проводника имеет длину (0,2 - 0,35)Л, а третье плечо - (0,01 - 0,1)Л, где Л - рабочая длина волны с учетом ее укорочения в материале диэлектрической подложки полосковой линии питания.
Второе плечо Т-образного шлейфа на конце первого центрального полоскового проводника предпочтительно выполняется равным по ширине с первым плечом в месте Тразветвления, а третье плечо - более широким.
Второе плечо Т-образного шлейфа на конце первого центрального полоскового проводника имеет электрический контакт с соответствуюшим плечом полоскового вибратора в точке, отстоящей от края щели на расстоянии (0,01 - 0,1)Л.
На первом плече Т-образного шлейфа на конце первого центрального полоскового проводника между электрическим контактом со вторым центральным полосковым проводником и Т-развегвлением выполнены согласующий трансформатор и настроечные элементы.
Между первым и вторым центральными полосковыми проводниками выполнен дополнительный электрический контакт на расстоянии (0,02-0,2)Х от основного электрического контакта, а в промежутке между основным и дополнительным элекгрическими кошактами в первом центральном полосковом проводнике выполнен воздушный зазор длиной (0,1 -3) мм.
В заявленном устройстве стабильность фаз повышена за счет использования однородного диэлектрика в зоне вибратора (в прототипе использован диэлектрик, состоящий из двух половин, толщина прослойки между которыми в различных местах не одинакова) и воздушного заполнения в зоне подводки и распределения СЕЧ - мощности (в прототипе заполнение диэлектрическое). Уменьшение массы антенны и снижение потерь обусловлены следующим. В зоне подводки и распределения СВЧ - мощности имеются диэлектрическая пластина толщиной Л, в которой поле СВЧ близко к нулю, и два тонких, порядка 0,1 Л, проводящих экрана, расстояние между которыми почти не влияет на массу и может быть выбрано оптимальным по потерям. В прототипе для уменьшения потерь требуется увеличение толщины диэлектрических пластин (расстояния между металлизированными покрьггиями на внещних сторонах диэлектрических пластин), что влечет за собой увеличение массы антенны.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 схематически изображена конструкция полосковой симметричной вибраторной антенны в сечении, ортогональном плоскости диэлектрической пластины; на фиг. 2 представлена топология полосковой симметричной вибраторной антенны, вид сверху, на фиг. 3 - то же, вид снизу; на фиг. 4 и фиг. 5 изображена
полосковая симметричная вибраторная антенна с вариантами выполнения первого центрального полоскового проводника.
Полосковая симметричная вибраторная антенна (фиг. 1) содержит размещенную между двумя параллельными проводящими (например, металлическими) экранами 1,2с воздушным зазором между ними диэлектрическую пластину 3, на одной стороне которой, например, печатным методом нанесен металлический полосковый полуволновой вибратор 4, а на другой стороне - металлический первый центральный полосковый проводник 5. Толщина проводящих экранов 1, 2 выбирается порядка 0,1 h, где h - толщина диэлектрической пластины 3, из условия минимизации массы антенны, а расстояние между экранами - из условия оптимизации потерь в рабочем диапазоне волн. Передние кромки проводящих экранов 1, 2 соединены между собой посредством ортогонально установленной металлической пластины 6, в которой выполнены прорезь для прохода диэлектрической пластины 3 и прорезь 7 для прохода первого центрального полоскового проводника 5 без электрического контакта с ней. Полосковый вибратор 4 нанесен на поверхность участка диэлектрической пластины 3, длина которого от продольной осевой линии плеч вибратора 4 (фиг. 2) до внещней поверхности металлической пластины 6 составляет (0,1-0,3)Х, где X - рабочая длина волны электромагнитного поля. Плечи полоскового вибратора 4 образованы полосками 8 и 8а, между которыми, перпендикулярно их продольной осевой ;шнии, в основании 9 прорезана щель длиной (0,10,25)Х. Основание 9 имеет электрический контакт с металлической пластиной 6, а в своей части 10, находящейся в зоне подвода и распределения СВЧ - мощности между проводящими экранами 1, 2 и играющей роль второго центрального полоскового проводника, выполнен воздущный зазор А длиной 3-30 мн начинающийся от внутренней поверхности металлической пластины 6. Первый 5 и второй 10 центральные полосковые проводники имеют между собой электрический контакт И, например, с помощью металлизированного отверстия. Первый центральный полосковый проводник 5 (фиг. 3) в своей части, находящейся у конца выступающего з астка диэлектрической пластины 3, заканчивается шлейфом Т-образной формы, продольная осевая линия первого плеча 12 которого совпадает с продольной осевой линией щели, выполненной в основании 9 полоскового вибратора 4. Второе плечо 13 Тобразного щлейфа имеет длину (0,2 - 0,35)Л, где Л - рабочая длина волны с учетом ее укорочения в материале диэлектрической подложки полосковой линии питания, и расположено под одним плечом 8, а третье плечо 14 имеет длину (0,01 - 0,1)Л и расположено под вторым плечом 8а полоскового вибратора 4. Без ухудшения электрических характеристик вибратора 4 второе плечо 13 может быть электрически соединено с плечом 8, например, с помощью металлизированного отверстия 15 в точке, отстоящей от края щели на расстоянии (0,01 - 0,1)Л (фиг. 4). Ширина плеч Тюбразного шлейфа первого центрального полоскового проводника 5 выбирается из условия согласования вибратора 4 в полосе рабочих частот. При этом его первое плечо 12 должно иметь волновое сопротивление, равное волновым сопротивлениям подводящей линии и вибратора, если последние равны между собой. Если указанные волновые сопротивления не равны, то на этом плече между электрическим контактом 11 со вторым центральным полосковым проводником и Т-разветвлением выполняется согласующий трансформатор 16 путем изменения ширины полоскового проводника длиной порядка четверти средней длины волны рабочего диапазона. При необходимости здесь же могут быть выполнены настроечные индуктивные или емкостные элементы (на чертеже не показаны). Второе плечо 13 предпочтительно выполнять равным по ширине с первым плечом 12 в месте Т-разветвления, а третье плечо 14 - более широким.
Полосковая симметричная вибраторная антенна работает следующим образом. Сигнал от генератора подается на питающие антенну первый 5 и второй 10 центральные полосковые проводники. Между ними и проводящими экранами 1, 2 распространяется симмепфичная электромагнитная ТЕМ волна. В зоне воздушного зазора А, выполненного в первом центральном полосковом проводнике 5, происходит трансформация электромагнитной волны из симметричной в несимметричную, которая распространяется в пространстве между первым центральным полосковым проводником 5 и основанием 9 вибратора 4, т.е. по первому плечу 12 Т-образного шлейфа. Затем волна разветвляется и по второму плечу 13 поступает на плечо 8 вибратора 4 через шлейф с длиной, несколько большей 0,25Л, и имеющий индуктивный импеданс, а через третье плечо 14 - на плечо 8а вибратора через шлейф с длиной, меньшей 0,1 Л, имеющий емкостной импеданс. Благодаря предложенному соединению центральных полосковых проводников 5, 10 и четвертьволновой (или близкой к четвертьволновой) щели на одном плече 8 создается потенциал одного знака, а на другом плече 8а - потенциал противоположного знака, что приводит к симметричному возбуждению полоскового вибратора 4.
В зоне воздушного зазора А, выполненного в первом центральном полосковом проводнике 5, возникает большое число типов волн, которые возбуждают ТЕМ-волну, распространяющуюся между первым 5 и вторым 10 центральными полосковыми проводниками. Эта волна при распространении может резонировать и приводить к большому рассогласованию антенны на отдельных частотах рабочего диапазона. Экспериментально установлено, что эти резонансы могут бьггь устранены путем создания дополнительного электрического контакта 17 между первым 5 и вторым 10 центральными полосковыми проводниками на расстоянии
(0,02-0,2)X от основного электрического контакта 11 (фиг. 5). При этом в промежутке между дополн1тгельным 17 и основным 11 электрическими контактами в первом центральном полосковом проводнике 5 выполняется воздушный зазор  длиной (0,1 - 3) мм.
Использование полезной модели обеспечивает одинаковые фазы антенных элементов от образца к образцу, что позволяет не разбивать их на группы (по фазе) и, таким образом, упростить систему фазирования ФАР и взаимозаменяемость антенных элементов. Кроме того, обеспечивается стабильность электрических характеристик ФАР в процессе эксплуатации.