СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к области радиотехники, а именно к антенно-фидерным устройствам, и конкретно к рупорно-полосковым антеннам с линейной поляризацией, изготавливаемым по групповым технологиям печатных плат.
Известна «Щелевая антенна» (см. Пат. RU №2269187 МПК H01Q 1/38, H01Q 9/28, опубл. 27.01.2006 г.). Щелевая антенна содержит диэлектрическую подложку и металлический экран. В металлическом экране выполнена щелевая линия, делящая металлический экран на две идентичные части, при этом щелевая линия первоначально представляет собой прямолинейный участок, который далее расширяется по экспоненциальному закону. В одной из частей металлического экрана, параллельно оси щелевой линии, выполнен прямоугольный паз, образующий совместно с прямолинейным участком щелевой линии и металлическим экраном трехпроводную полосковую линию. На конце прямоугольного паза установлено ферритовое кольцо, которое касается внешней окружностью образующей щелевой линии, при этом длина прямолинейного участка щелевой линии выбрана не менее внешнего диаметра ферритового кольца. Она имеет существенный недостаток, связанный с большими габаритными размерами (длина рупора значительно превышает размеры на раскрыве).
Известна «Рупорная антенна» (см. Пат. RU №2250542, МПК7 H01Q 13/02, опубл. 20.04.2005 г.). Она содержит прямоугольный рупор, торец которого закрыт металлической заглушкой, три металлических гребня специальной формы, подключенных между собой. Антенна обеспечивает прием и передачу сигналов в широкой полосе частот с высоким уровнем согласования и линейной фазочастотной характеристикой. Она имеет существенный недостаток, связанный с большими габаритными размерами (длина рупора значительно превышает размеры на раскрыве).
Наиболее известной из них является широкополосная рупорно-полосковая антенна Вивальди [Э.И. Радиотехника сверхвысоких частот, г.Москва, №37, стр.7, 1980 г.], которая формируется искривленными кромками металлической фольги, нанесенной на одну сторону единой платы диэлектрической подложки, сходящихся к точке питания узкой полосковой возбуждающей щели, соответствующей точке наибольшей пространственной близости искривленных кромок металлической фольги друг к другу, и постепенно заостряющимися при удалении от этой точки, при этом первая часть рупора образуется путем постепенного расширения по экспоненциальному закону поперечного размера полоски проводника несимметричной линии и отгиба расширенного проводника вверх от центральной линии, вторая часть рупора образуется путем сужения плоского проводника экрана и отгиба его вниз от центральной линии.
Недостатками широкополосной рупорно-полосковой антенны Вивальди является ее значительный продольный размер - длина, максимальный размер раскрыва которой должна быть больше максимальной длины волны диапазона согласования, достигающий в низкочастотном диапазоне длин волн больших размеров, и при этом недостаточна механическая прочность конструкции рупорно-полосковой антенны, так как толщина диэлектрической подложки составляет 1-10% от длины волны, ориентировочно от 0,15 мм до 3 мм, и отсутствуют прочные элементы конструкции, особенно при увеличении ее длины при работе в низкочастотном диапазоне длин волн.
Известна широкополосная рупорно-полосковая антенна [F.Lalezari and others, Broadband notch antenna, US Patent 4,843,403, Jun. 27, 1989], a именно, ее изогнутый вариант, которая выбрана в качестве прототипа.
Широкополосная рупорно-полосковая антенна, выбранная в качестве прототипа, состоит из двух связанных друг с другом полосковых рупоров, каждый из которых образован смежными, расположенными раздельно, искривленными кромками металлической фольги, нанесенной на одну сторону единой платы диэлектрической подложки, сходящихся к точке питания узкой полосковой возбуждающей щели, соответствующей точке наибольшей пространственной близости искривленных кромок металлической фольги друг к другу, и постепенно заостряющимися при удалении от этой точки.
Узкая полосковая возбуждающая щель рупоров возбуждается нанесенной на другую сторону диэлектрической подложки ортогонально узкой полосковой возбуждающей щели, узкой полоской несимметричной полосковой линии из металлической фольги, присоединенной к центральному проводу коаксиального разъема, закрепленному внешним коаксиальным корпусом на металлической фольге одного из рупоров.
Диэлектрическая подложка вместе с нанесенной на ней металлической фольгой изогнута так, что плоскости двух полосковых рупоров располагаются пространственно параллельно друг другу, при этом слой металлической фольги, формирующий излучающие структуры обоих рупоров, располагается с наружной стороны поверхности диэлектрической подложки.
Такое конструктивное выполнение антенны, принято исходя из удобства доступа при работе с коаксиальным разъемом.
К основным недостаткам прототипа относятся: 1) большая длина основного конструктивного элемента антенны - полоскового рупора от возбуждающей щели до раскрыва при работе в широком диапазоне частот, особенно при необходимости работы в области низких частот, когда требуется большой размер раскрыва рупорно-полосковой антенны; 2) сравнительно высокий коэффициент стоячей волны напряжения КСВН≤3 на входе рупорно-полосковой антенны только в полосе частот, имеющей обычно коэффициент перекрытия не более, чем 9:1, что говорит о сравнительно небольшой полосе частот согласования. Кроме того, недостаточна механическая прочность рупорно-полосковой антенны, так как отсутствуют прочные элементы конструкции.
Все указанные недостатки особенно актуальны при размещении аппаратуры на летательных аппаратах, имеющих значительные ограничения по габаритам и прочности.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании сверхширокополосной антенны, имеющей малую длину полоскового рупора при работе в широком диапазоне частот, расширенную полосу частот согласования и большую механическую прочность конструкции.
Технический результат - уменьшение длины полоскового рупора при работе в широком диапазоне частот, а также расширение полосы частот согласования, за счет конструктивного объединения для совместного комплексного использования двух типов излучателей - полосковых рупоров и дипольных излучателей, эффективно работающих каждый в своем диапазоне частот, соответственно на высоких и низких частотах.
Дополнительным техническим результатом является обеспечение большой механической прочности конструкции за счет использовании в конструкции антенны двух жестких дипольных излучателей, выполненных в виде объемных металлических тел определенной формы, например, клиновидной, и размеров, помещенных между плоскостями двух, располагающихся параллельно друг другу, полосковых рупоров на поверхностях первой и второй частей диэлектрической подложки, и стягивающих все элементы в единую жесткую конструкции всего объема антенны.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Сверхширокополосная антенна, содержащая два полосковых рупора, образованных искривленными расширяющимися кромками металлической фольги, нанесенной на диэлектрическую подложку, и подключенных к возбуждающей узкой полосковой щели, возбуждаемой несимметричной полосковой линией, присоединенной к коаксиальному разъему.
По отношению к прототипу отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка разделена на три части, на первой и второй частях диэлектрической подложки, расположенных параллельно друг другу, размещены соответствующие полосковые рупоры, образованные расширяющимися кромками металлической фольги, нанесенной на внутренние поверхности первой и второй частей диэлектрической подложки, при этом между первой и второй частями диэлектрической подложки установлены первый и второй дипольные излучатели в виде объемных металлических тел определенной формы, например, клиновидной, и размеров, гальванически соединенные с металлической фольгой, образующей полосковые рупоры, при этом на внешней стороне третьей части подложки в металлической фольге выполнена узкая полосковая щель, а на внутренней стороне выполнена несимметричная полосковая линия, один край которой подключен проходным контактом к первой кромке узкой полосковой щели, а второй край подключен к центральному проводнику коаксиального разъема, корпус которого соединен с второй кромкой узкой полосковой щели, и при этом каждая кромка узкой полосковой щели с помощью металлических перемычек подключается к соответствующим узким частям полосковых рупоров.
При этом дипольные излучатели, устанавливаемые между первой и второй частями диэлектрической подложки, имеют в проекции, например, клиновидную форму.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 изображено сечение А-А вида сбоку на сверхширокополосную антенну, в которой первый и второй дипольные излучатели имеют клиновидную форму, где:
1 - первая часть диэлектрической подложки,
2 - первая часть металлической фольги, расположенной на первой 1 части диэлектрической подложки,
3 - вторая часть металлической фольги, расположенной на первой 1 части диэлектрической подложки,
4 - первая и вторая искривленные кромки металлической фольги образующие первый полосковой рупор,
5 и 6 - первый и второй дипольные излучатели соответственно,
7 - третья часть диэлектрической подложки,
8 - первая часть металлической фольги, образующая верхнюю кромку возбуждающей щели,
9 - вторая часть металлической фольги, образующая нижнюю кромку возбуждающей щели,
10 - возбуждающая щель,
11 - несимметричная полосковая линия,
12 - металлические перемычки,
13 - коаксиальный разъем;
На фиг.2 изображен вид В с торца сверхширокополосной антенны, где - 14 - вторая часть диэлектрической подложки.
На фиг.3 изображен вид спереди по стрелке С сверхширокополосной антенны, где:
15 - первая часть металлической фольги, расположенной на второй 14 части диэлектрической подложки,
16 - вторая часть металлической фольги, расположенной на второй 14 части диэлектрической подложки,
17 - центральный проводник коаксиального разъема 13,
18 - проходной контакт соединения несимметричной полосковой линии 11 с первой кромкой возбуждающей щели 10.
На фиг.4 изображена кривая КСВН на входе сверхширокополосной антенны, показанной на фиг.1, в диапазоне частот от 2 до 30 ГГц.
Конструкция предложенной сверхширокополосной антенны выполнена следующим образом.
Диэлектрическая подложка сверхширокополосной антенны содержит три части. Каждая часть диэлектрической подложки выполнена в виде прямоугольников, размеры сторон которых определяются рабочими частотами, и металлизированы с одной стороны определенным образом.
Сверхширокополосная антенна может быть выполнена из типовых радиотехнических материалов, применяемых в малогабаритных элементах антенной техники СВЧ.
Материал диэлектрической подложки является традиционным листовым материалом, использующимся в СВЧ диапазоне волн с тангенсом угла диэлектрических потерь не более 0,01 и диэлектрической проницаемостью от 2 до 10. Толщина каждой части диэлектрической подложки составляет 1-10% от длины волны, ориентировочно от 0,15 мм до 3 мм и не обладает необходимой прочностью при больших перегрузках, что особенно актуально при размещении аппаратуры на летательных аппаратах.
Металлизация металлической фольгой всех необходимых токонесущих частей диэлектрической подложки может быть выполнена из металла высокой проводимости - меди, алюминия, или латуни. На металлизированные стороны частей диэлектрической подложки могут быть нанесены защитные покрытия, например радиопрозрачные маски, или напыления из серебра, или напыления из никеля, которые, в свою очередь, при необходимости защиты от воздействия влаги и агрессивных сред покрыты тонким слоем защитного лака.
Ширина и длина первой 1 и второй 14 частей диэлектрической подложки определяется максимальной длиной волны рупорного излучателя и ориентировочно ширина равна максимальной длине волны рабочего диапазона рупорного излучателя, а длина равна 0,85 максимальной длины волны рабочего диапазона рупорного излучателя
Ширина третьей части 7 диэлектрической подложки равна толщине прямоугольных вкладышей, величина которой должна быть меньше половины минимальной длины волны рабочего диапазона антенны. Длина третьей части 7 диэлектрической подложки равна ширине первой 1 и второй 14 частей диэлектрической подложки
На поверхности каждой части диэлектрической подложки расположены необходимые элементы конструкции антенны, которые затем при сборке формируют результирующую общую конструкцию антенны.
Первая 1 и вторая 14 части диэлектрической подложки, на которых сформированы кромками металлической фольги полосковые рупоры, имеют одинаковую конструкцию, зеркальную относительно продольной оси симметрии полосковых рупоров.
Первая 1 и вторая 14 части диэлектрической подложки располагаются в пространстве параллельно друг другу так, что поверхности металлической фольги обращены внутрь конструкции антенны и ориентированы металлизированными поверхностями друг к другу. При сборке объединенной конструкции сверхширокополосной антенны первая 1 и вторая 14 части диэлектрической подложки должны быть установлены точно напротив относительно друг друга. Расстояние между первой 1 и второй 14 частями диэлектрической подложки должно быть такой величины, чтобы обеспечить синфазное сложение волн на выходах обоих полосковых рупоров. Использование двух полосковых рупоров позволяет при малой электрической прочности каждого повысить результирующие излучаемую мощность и коэффициент направленного действия сверхширокополосной антенны.
Третья часть 7 диэлектрической подложки, на которой кромки металлической фольги формируют узкую возбуждающая щель 10, возбуждающую два полосковых рупора, имеет продольную и поперечную оси симметрии, пересекающиеся в центре узкой возбуждающей щели 10, и при сборке общей конструкции сверхширокополосной антенны ориентирована так, что поверхность фольги, на которой сформирована возбуждающая щель 10, находится на внешней стороне конструкции сверхширокополосной антенны.
Ширина пространственного зазора между кромками металлической фольги, формирующей узкую возбуждающую щель 10, равна расстоянию между краями кромки металлической фольги полосковых рупоров в начале щелевой линии полосковых рупоров первой 1 и второй 14 частей диэлектрической подложки, и определяется требуемой величиной волнового сопротивления сверхширокополосной антенны.
Для обеспечения хорошего гальванического контакта поверхности металлической фольги, образующей узкую возбуждающую щель 10 на третьей 7 части диэлектрической подложки, с металлической фольгой соответствующих участков поверхностей металлической фольги полосковых рупоров на первой 1 и второй 14 частях диэлектрической подложки, по краям пластин диэлектрических подложек применяются металлические перемычки 12 из металлической (медной) фольги, припаиваемые в двух-трех местах на каждой стороне в соответствующих местах к сопредельным поверхностям металлической фольги на первой 1, второй 14 и третьей 7 частях диэлектрической подложки.
Ширина сверхширокополосной антенны приблизительно в два раза больше длины первой 1 и второй 14 частей диэлектрической подложки и составляет приблизительно 0,3 максимальной длины волны рабочего диапазона антенны.
На поверхности первой 1 части диэлектрической подложки (фиг.1) сформированы методами фотолитографии верхняя часть металлической фольги 2 и нижняя часть металлической фольги 3, которые своими верхней и нижней кромками 4 образуют первый полосковый рупор за счет постепенного расширения расстояния между кромками 4 от узкой щели на входе рупора до раскрыва рупора, определяющего ширину прямоугольной первой 1 части диэлектрической подложки.
Точно такой же второй полосковый рупор формируется на второй 14 части диэлектрической подложки (см. фиг.2) из кромок первой части металлической фольги 15 и второй части металлической фольги 16 (фиг.3).
Первая 1 и вторая 14 части диэлектрических подложек со сформированными на них соответствующими полосковыми рупорами, образованными соответственно кромками первой 2 и второй 3 частями фольги на первой 1 части диэлектрической подложки, а также соответственно кромками первой 15 и второй 16 частями фольги на второй 14 части диэлектрической подложки, соединяются двумя одинаковыми по форме первым 5 и вторым 6 дипольными излучателями в виде объемных металлических тел определенной формы, например, клиновидной, и размеров (фиг.1 и фиг.3). Для уменьшения массы первый 5 и второй 6 дипольные излучатели можно выполнить полыми.
Боковые поверхности прямоугольных дипольных излучателей 5 и 6 должны быть выполнены с высоким классом точности, механически плотно присоединены, например, пайкой либо винтами или с помощью специального клея, и гальванически соединены с металлической фольгой соответствующих участков поверхностей металлической фольги полосковых рупоров на первой 1 и второй 14 частях диэлектрической подложки.
В теле дипольных излучателях 5 и 6, в необходимом случае, могут быть выполнены сквозные отверстия для винтов, фиксирующих их точное взаимное расположение относительно каждой из частей 1, 7 и 14 диэлектрической подложки при сборке.
К третьей 7 части диэлектрической подложки нижняя часть дипольных излучателей 5 и 6 присоединяется непосредственно к поверхности диэлектрической подложки без гальванической связи, только механически либо винтами или с помощью специального клея.
Третья 7 часть диэлектрической подложки первой частью металлической фольги 8 и второй частью металлической фольги 9 смежными кромками образуют узкую возбуждающую щель 10 (фиг.1 и фиг.2), которая соединяется электрически с полосковыми рупорами первой 1 и второй 14 частей диэлектрической подложки со стороны входных узких щелей соответствующих полосковых рупоров.
При этом первая 8 часть металлической фольги третьей 7 части диэлектрической подложки соединяется пайкой соответствующих перемычек 12 к верхним частям металлической фольги 2 и 15, расположенным соответственно на первой 1 и второй 14 частях диэлектрической подложки, а вторая часть металлической фольги 9 третьей 7 части диэлектрической подложки соединяется пайкой соответствующих металлических перемычек 12 ко вторым частям металлической фольги 3 и 16, расположенным, соответственно, на первой 1 и второй 14 частях диэлектрической подложки.
На обратной стороне третьей части 7 диэлектрической подложки, ортогонально узкой возбуждающей щели 10, нанесена узкая полоска несимметричной полосковой линии 11.
Несимметричная полосковая линия 11 с одного края гальванически соединена с центральным проводником 17 (фиг 3) коаксиального разъема 13, а с другого края гальванически соединена проходным контактом 18 (фиг.2 и фиг 3) (например, металлизированным отверстием, изготовленным с возможностью гальванического соединения с металлизированными сторонами третьей 7 части диэлектрической подложки) с первой 8 частью металлической фольги третей 7 части диэлектрической подложки, образующей первую кромку узкой возбуждающей щели 10, при этом корпус коаксиального разъема 13 соединяется с металлизацией второй 9 части металлической фольги третей 7 части диэлектрической подложки, образующей вторую кромку узкой возбуждающей щели 10. В результате формируется линия питания сверхширокополосной антенны.
Сверхширокополосная антенна работает следующим образом.
При поступлении на входной коаксиальный разъем 13 (в режиме излучения) электромагнитного колебания, токи сверхвысокой частоты, распространяясь по несимметричной полосковой линии 11, возбуждают электромагнитные колебания в возбуждающей щели 10. Эти колебания с помощью перемычек 12 возбуждают электромагнитные колебания в двух полосковых рупорах, образованных кромками верхних 2 и 15, а также нижними 3 и 16 частями металлической фольги, размещенными на первой 1 и второй 14 частях диэлектрической подложки.
Кроме этого, вследствие наличия гальванического контакта между первыми частями металлической фольги 2 и 15 и прямоугольным металлическим первым дипольным излучателем 5, а также между вторыми частями металлической фольги 3 и 16 и металлическим вторым дипольным излучателем 6 возбуждаются сверхвысокочастотные токи на поверхностях обоих металлических дипольных излучателях 5 и 6. Металлические дипольные излучатели 5 и 6 являются вибраторными излучателями и в совокупности образуют вибраторную антенну, питаемую через узкую щель 10, образованную металлической фольгой 8 и 9 третьей части диэлектрической подложки 7. Направление излучения вибраторной антенны из металлических дипольных излучателей 5 и 6 перпендикулярно ее оси и совпадает с направлением излучения полосковых рупоров.
Электромагнитные колебания, возбужденные в полосковых рупорах и распространяющиеся вдоль щели между проводящими поверхностями металлической фольги, а также сверхвысокочастотные токи на поверхностях первого 5 и второго 6 дипольных излучателей, создают поперечную электромагнитную волну, излучаемую в свободное пространство.
В результате в сверхширокополосной антенне на высоких рабочих частотах преобладает излучение из полосковых рупоров, а на нижних рабочих частотах преобладает вибраторное излучение дипольных излучателей 5 и 6.
Размеры полосковых рупоров уменьшены на 40% по сравнению с расчетными размерами у прототипа за счет того, что максимальная длина волны рабочего диапазона дипольных излучателей приблизительно в три раза больше длины дипольного излучателя, в то время как максимальная длина волны рабочего диапазона полоскового рупора всего в два раза превышает длину раскрыва полоскового рупора.
Результирующая полоса частот сверхширокополосной антенны расширяется, так как рупорная антенна перекрывает полосу частот 9:1, а сверхширокополосный дипольный излучатель может перекрыть полосу частот приблизительно 7:1. Поскольку полосы частот рупорной антенны и дипольных излучателей частично перекрываются, то удается перекрыть суммарную полосу частот 15:1 с меньшим КСВН в полосе согласования.
Прочность конструкции сверхширокополосной антенны увеличивают два жестких дипольных излучателя, выполненных в виде объемных металлических тел определенной формы, например, клиновидной, и размеров, помещенных между плоскостями двух, располагающихся параллельно друг другу, полосковых рупоров на поверхностях первой и второй частей диэлектрической подложки, и стягивающих все элементы в единую жесткую конструкции всего объема антенны.
На фиг.4 изображена кривая КСВН на входе сверхширокополосной антенны, конструкция которой показана на фиг.1, в диапазоне частот от 2 до 30 ГГц, полученная в результате электродинамического моделирования на ЭВМ сверхширокополосной антенны с размерами: 46,9×19×3,6 мм. Этот график показывает широкую полосу рабочих частот, в которой сохраняется хорошее согласование.
Таким образом, уменьшив длину полосковых рупоров, удается одновременно существенно, почти в 1,7 раза, расширить полосу рабочих частот, в которой сохраняется хорошее согласование. При этом КСВН удается уменьшить до величины не более 2,2.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет обеспечить согласование сверхширокополосной антенны с питающим фидером в полосе рабочих частот в 1,5 раз большей, чем у прототипа, что позволяет применять ее в сверхширокополосных СВЧ трактах.
В результате введения в конструкцию сверхширокополосной антенны металлических дипольных излучателей почти в два раза по сравнению с прототипом уменьшена длина полосковых рупоров при одновременном увеличении полосы частот, в которой согласована сверхширокополосная антенна со значительно меньшим КСВН. Одновременно, введение двух жестких дипольных излучателей, выполненных в виде объемных металлических тел определенной формы, например, клиновидной, и размеров, помещенных между плоскостями двух, располагающихся параллельно друг другу, полосковых рупоров на поверхностях первой и второй частей диэлектрической подложки, и стягивающих все элементы в единую жесткую конструкции всего объема антенны, существенно увеличивает прочность конструкции сверхширокополосной антенны, что немаловажно при установке сверхширокополосной антенны на подвижные носители.
Источники информации
1. Патент RU №2269187, МПК H01Q 1/38, H01Q 9/28, опубл. 27.01.2006 г.
2. Пат. RU №2250542, МПК7 H01Q 13/02, опубл. 20.04.2005 г.
3. Э.И. Радиотехника сверхвысоких частот, г.Москва, №37, стр.7, 1980 г.
4. F.Lalezari and others, Broadband notch antenna, US Patent 4,843,403, Jun.27, 1989 г. - прототип.