АНТЕННА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к радиотехническим приемопередающим устройствам и антенной технике и может быть использована для целей связи, а также для исследования электромагнитных полей в лабораторных и полевых условиях.
в
э
э
Известна апертурная антенна с плоским круглым или квадратным излучающим раскрывом (И.Н. Корбанский. Антенны,, М., «Энергия», 1973 г., гл. 9-6, 9-7, рис. 9.9 - 9.10, стр. 180 -189). Излучающий (приемный) элемент этой антенны представляет собой волноводное отверстие в плоском проводящем экране с максимальным размером сечения d=λ/2. Для эффективного уменьшения обратного излучения максимальный размер экрана d должен быть больше или равен утроенному размеру сечения волновода, то есть d≥3λ2. Достоинством этой антенны является хорошая направленность. Ее диаграмма направленности (ДН) однолепестковая, осесимметричная. Недостатки антенны следующие: для питания от коаксиального кабеля в конструкцию этой антенны необходимо вводить согласующий короткозамкнутый четвертьволновый отрезок волновода, в дециметровом диапазоне габаритные размеры антенны становятся слишком большими из-за наличия экрана и короткозамкнутого отрезка волновода.
Известно антенное устройство, в котором круглый волновод присоединен к плоскому экрану, а в отверстие волновода вставлен диэлектрический штырь, на штырь надет каркас со спиралью (см. патент Российской Федерации RU 2210844 С2, МПК 7 Н 01 Q 21/28, опубл. Бюл. №23 от 20.08.2003). Это устройство по существу является комбинацией апертурной, спиральной и диэлектрической антенн. На нижней частоте антенна возбуждается спиралью от центральной жилы коаксиального кабеля, на верхней - волноводом. Эта антенна имеет следующее достоинство: на нижней и на верхней частотах ДН однолепестковые, но более острые, чем в упомянутой выше апертурной. антенне. Недостатком такого устройства является большие габариты в дециметровом диапазоне.
Известна двухканальная антенна, излучающим элементом которой является щель, образованная металлическим диском и экраном, разделенных слоем диэлектрика, и возбуждаемая тремя штырями: по центру диска и диаметрально противоположными по краям его (Авторское свидетельство СССР №1467631 А1, кл. Н 01 Q 13/ 00, от 08.12.86, опубл. Бюл. №11, 23.12.86). Достоинством этой антенны являются малые габариты. Недостатки антенны следующие. На первом канале кроме главного лепестка ДН, имеется два боковых, с направлением максимума вдоль линии, соединяющей диаметрально противоположные возбуждающие штыри, Так как щель возбуждается противофазными напряжениями, приложенными к этим штырям, которые находятся друг от друга на расстоянии около половины длины волны, то излучения штырей в этом направлении складываются. На
втором канале щель возбуждается штырем по центру диска. ДН этого канала имеет воронкообразную форму с направлением нулевого излучения по нормали к поверхности диска, то есть отличается от формы ДН апертурной антенны.
Ближайшим аналогом является антенна, содержащая коаксиальный кабель и активный излучатель, выполненный из штыря, являющегося продолжением внутренней жилы коаксиального кабеля (А.С.Лавров, Г.Б.Резников. Антенно - фидерные устройства. М., «Сов. Радио», 1974, с.124, рис. 61, з). Недостатком этой антенны является форма ее ДН, которая является круговой в плоскости, перпендикулярной оси вибратора.
Технический результат полезной модели состоит в создании антенного устройства, питаемого от коаксиального кабеля, которое имеет малогабаритную простую конструкцию, форму ДН апертурного типа, малую стоимость и удобно в эксплуатации.
Сущность полезной модели как технического решения выражается в совокупности следующих признаков.
Антенна представляет собой излучатель, выполненный в виде плоской (или имеющей некоторую кривизну поверхности) проводящей пластины круглой, прямоугольной или иной формы с центральной симметрией, размером около λ/2, в центре гальванически присоединенную к центральной жиле коаксиального кабеля, оплетка которого изолирована от этой пластины минимально возможным зазором.
Кроме того, антенна состоит из излучателя (приемника) и рефлектора, выполненного в виде плоской проводящей пластины и находящегося на расстоянии около 0,25λ, от излучателя. Питающий коаксиальный кабель проходит через отверстие в центре рефлектора, и гальванически изолирован от него. Расстояние между излучателем и рефлектором подбирается экспериментально из условия обеспечения минимума для заднего лепестка и составляет 0,1-0,35λ.
Антенна снабжена замедляющей структурой центрально симметричной формы, соответствующей форме излучающей пластины, выполненной диэлектрической или состоящей из директоров, а каждый директор является проводящей пластиной. Расстояние между директорами составляет 0,15-0,25λ.
На одной оси антенны размещены две или более излучающие пластины, питание которых выполнено в соответствующих фазах.
Антенна выполнена также в виде антенной решетки из излучающих пластин, снабжена диэлектрической подложкой, и с одной стороны подложки размещены излучающие пластины, а с другой - установлены индивидуальные рефлекторы или общий рефлектор для всех излучающих пластин, и кабели проходят через рефлектор по осевой линии соответствующей излучающим пластинам. Пластины вмонтированы или нанесены на поверхность диэлектрической оболочки объекта. При этом каждая излучающая пластина имеет некоторую кривизну, согласованную с
д
д
формой объекта и не нарушает его эксплуатационные характеристики. Рефлектор расположен на расстоянии около 0,25λ от излучающей пластины, где λ - длина волны в материале диэлектрической оболочки устройства.
На фиг.1 показана схема антенны, на фиг.2 - схема волнового канала, на фиг.3 - схема антенной решетки, на фиг.4- схема измерения ДН, t-зазор, на фиг.5 ДН по схеме фиг.1.
Антенна содержит излучатель в виде проводящей пластины 1 диаметром около 0,5λ (половины длины волны в воздухе) по фиг.1. К центру проводящей пластины 2 припаяна внутренняя жила 3 коаксиального кабеля, оплетка 4 которого изолирована от этой пластины минимально возможным зазором t, 5 - диэлектрический наполнитель кабеля. Диаграмма направленности (ДН) такой антенны, состоящей из одного излучателя, имеет два лепестка, направленные вдоль оси 6 излучающей пластины 1 (эту ось удобно называть главной) в противоположные стороны. Главный лепесток ДН антенны направлен от фронтальной поверхности излучающей пластины 1. Второй лепесток ДН имеет обратное направление (в тыльную сторону).
На фиг.2 приведен вариант антенны типа «волнового канала», состоящего из директоров 7 и 8, излучателя 9, рефлектора 10, выполненных в виде плоских проводящих пластин и расположенных на одной оси. Питающий кабель 11 проходит через центр рефлектора 10, будучи от него изолированным. Расстояние между директором 8 и излучателем 9 составляет с=0,15...0,25λ, между соседними директорами 7 и 8 тоже находится в пределах b=0,15...0,25λ, расстояние между излучателем 9 и рефлектором 10 в пределах d=0,1...0,35λ. Диаметр рефлектора 10 больше или равен диаметру излучателя 9. ДН этой антенны имеет один (главный) лепесток, направленный от фронтальной поверхности излучающей пластины 9. В обратном (тыльном) направлении находится минимум диаграммы направленности.
д
На фиг.3 приведен вариант антенны типа антенной решетки из четырех плоских излучателей 12-15, находящихся на диэлектрической подложке 16 толщиной d около 0.25λ. С другой стороны подложки находится рефлектор 17, выполненный в виде отдельных пластин для каждого излучателя (или общий для всех излучателей). Питающие кабели 18 проходят через рефлектор по осевой линии соответствующего излучателя. При синфазном питании излучающих пластин ДН такой решетки имеет узкий главный лепесток, глубокий минимум в тыльном направлении и небольшие боковые лепестки, типичные для решеток.
Антенна работает следующим образом.
Устройство, показанное на фиг.1, в режиме излучения работает так. Оплетка кабеля 4 экранирует излучение осевого тока центральной жилы 3 кабеля, так как она имеет малый зазор с проводящей пластиной 1. Излучающими являются радиальные токи пластины. Ток с центральной жилы 3 коаксиального кабеля стекает на проводящую пластину излучателя, обладающей некоторой собственной емкостью. Плотность поверхностного
тока ориентирована по радиусу пластины. Дойдя до края пластины, ток отражается. На пластине образуется почти стоячая волна тока. Диаметр пластины 0,5 λ, обеспечивает резонанс токов. Присутствие некоторой бегущей волны объясняется излучением в дальней зоне и замыканием на оплетку кабеля через токи смещения в ближней зоне. В результате на пластине появляется некоторое поверхностное распределение заряда, изменяющегося почти синфазно на всей поверхности. Излучение происходит в обе стороны от пластины. Форма тыльного лепестка близка к форме фронтального (главного), с искажениями, обусловленными влиянием кабеля. При смещении точки питания от центра нарушается симметрия ДН антенны. Если зазор будем увеличивать, то потекут осевые токи, которые приведут к искажению диаграммы направленности. При значительном зазоре ДН в плоскости совпадающей с плоскостью пластины примет круговую форму ДН несимметричного вибратора с емкостной нагрузкой.
В режиме приема это антенное устройство работает следующим образом: падающее на пластину (приемник) электрическое поле вызывает появление на пластине некоторого распределения электрического заряда. Изменение заряда во времени приводит к возникновению электрических токов. Многократно отраженные от краев токи создают перераспределение и накопление зарядов на пластине. Диаметр пластины близок к 0,5 λ, поэтому происходит увеличение напряжения вследствие резонанса. Отношение реактивной энергии заряда пластины к энергии тока центральной жилы кабеля, определяет добротность антенны. Устройство принимает практически одинаково с обоих сторон от пластины. В режиме приема форма тыльного лепестка близка к форме фронтального (главного), с искажениями, обусловленными влиянием кабеля.
В устройстве, показанном на фиг.2, в режиме излучения рефлектор 10 служит для увеличения поля от излучателя 9 в дальней зоне в главном направлении по оси 6, проходящей через центр излучающей пластины 9 и уменьшения поля в тыловом направлении. Идеальным рефлектором могла быть бесконечная металлическая плоскость, находящейся на расстоянии 0,25 λ от поверхности излучателя. За поверхностью достаточно большого рефлектора создается зеркальное изображение излучающей пластины с фиктивными зарядами противоположного знака. Расстояние между центрами излучателя и его изображения равно 0,5 λ, поэтому впереди излучающей пластины электромагнитные волны от реального и фиктивного источников складываются, а позади рефлектора вычитаются. Так как рефлектор имеет конечные размеры, близкие к размеру излучателя, то в зависимости от его размера наблюдается расфазировка наведенных на нем зарядов. Для того, чтобы в главном направлении отраженная от рефлектора волна сложилась в фазе с волной от излучателя, осуществляется коррекция расстояния до рефлектора в сторону увеличения или уменьшения от 0,25 λ, Благодаря наличию рефлектора главный лепесток диаграммы направленности (ДН) в
дальней зоне сужается, коэффициент направленного действия (КНД) увеличивается, а излучение в тыловом направлении уменьшается. Регулируя размеры отражателя и рефлектора можно добиться глубокого нуля ДН с тыльной стороны. Директоры 7 и 8 служат для дальнейшего сужения ДН и увеличения КНД, если подобрать их диаметры и расстояние между ними. При большом числе директоров получается замедляющая структура для волны в главном направлении. Фазовый фронт волны вблизи излучателя искривляется так, что вектор Умова-Пойтинга в каждой точке фазового фронта поворачивается в сторону главной оси, увеличивая суммарное излучение в этом направлении. В режиме приема это антенное устройство работает следующим образом: фазовый фронт падающего электромагнитного поля искривляется на структуре директоров так, что вектор Умова-Пойтинга поворачивается в сторону главной оси антенны, что приводит к увеличению суммарного поля вблизи приемной пластины. Отраженное от рефлектора поле возвращается на приемную пластину и складывается в фазе с падающем полем. Это также увеличивает суммарное поле, возбуждающее заряды на пластине. Для волны идущей к антенне с тыла рефлектор экранирует приемную пластину, а директоры способствуют отеканию с приемной пластины электромагнитной энергии в свободное пространство.
д
д
Работу антенны по фиг.3, также сначала рассмотрим в режиме излучения. При исполнении рефлектора 17 общим для всей решетки, его размер превышает размеры каждого излучающего элемента, поэтому влияние рефлектора приближается к зеркальному отражению от бесконечного экрана. При расстоянии d между излучателем и рефлектором около 0.25 λ (λ - длина волны в диэлектрической подложке) происходит эффективное усиление поля в главном и ослабление в тыльном направлениях. В случае фазированной антенной решетки (ФАР) для ослабления связи между каналами рефлекторы должны быть отдельными (изолированными) пластинами для каждого излучающего канала. В каждой пластине будет наведена своя стоячая волна зарядов, однако получившуюся при этом расфазировку фиктивных зарядов необходимо скорректировать путем изменения толщины подложки 16. В режиме приема каждый элемент антенной решетки работает аналогично антенному устройству типа фиг.2.
На фиг.4 приведена схема измерения диаграммы направленности (ДН) предложенной антенны, состоящей из излучателя в горизонтальной плоскости. На схеме показаны однотипные антенны, состоящие из излучателя (приемника) и рефлектора: 19- излучающая, 20-приемная. Расстояние L между приемной и излучающей антенной во много раз больше длины волны λ. Антенны на схеме направлены друг на друга главными лепестками и расположены на высоте h>2 м над землей 21. Поворот исследуемой антенны осуществляется в горизонтальной плоскости, угол поворота отсчитывается от начального положения, показанного на схеме. При исследовании ДН передающей антенны приемная антенна остается направленной главным лепестком в сторону передающей, то есть в начальном положении, показанном на фиг.4. При исследовании ДН приемной антенны передающая антенна остается направленной главным лепестком в сторону приемной, как показано на фиг.4.
На фиг.5 приведена ДН предложенной антенны в режиме излучения, измеренная по схеме фиг.4 в горизонтальной плоскости.