Симметричный вибратор в печатном исполнении
DIPOLE VIBRATOR IN PRINTED FORM

Предлагаемое изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к антеннам, и может быть использовано, в широкополосных приемо-передающих устройствах, техники связи, радиолокационных устройствах, а также в составе фазированных антенных решеток (ФАР).
Актуальность разработки таких антенн обусловлена миниатюризацией радиотехнической аппаратуры, повышением требований к широкополосное™ систем, а также требований к массо-габаритным показателям. Такими свойствами обладают печатные вибраторные антенны.
Известен симметричный вибратор в печатном исполнении, содержащий симметричные плечи и двухпроводную питающею линию (US 7324059 B2, Stub printed dipole antenna (SPDA) having wide-band and multi-band characteristics and method of designing the same, H01Q 9, 19.08.2005). Устройство имеет малые габариты и небольшой вес.
Однако, в указанном устройстве используется конструкция двухпроводной линии с торцевой связью, т.е. проводники находятся в одной плоскости, поэтому данная линия имеет большие потери по излучению и меньшую помехозащищенность, а также меньший диапазон рабочих частот в сравнении с линией, проводники которой находятся в разных плоскостях, на противоположных сторонах диэлектрика (линия с лицевой связью). Образованный на двухпроводной линии короткозамкнутый шлейф имеет выраженную реактивную составляющую в полосе частот, которая затрудняет согласование. Шлейф на линии с лицевой связью обладает меньшей реактивной составляющей.
Известен симметричный вибратор в печатном исполнении для беспроводной много диапазонной системы связи (US 7095382 B2, modified printed dipole antennas for wireless multi-band communications systems, H01Q 9, 24.11.2003), содержащий питающий шлейф с обратной стороны антенны, который соединен с плечом вибратора с помощью перемычки. Плечи вибратора находятся в одной плоскости на высоте !Л длины волны от экрана.
Однако, в указанном устройстве используется питающий короткозамкнутый четвертьволновый шлейф, выполненный на основе двухпроводной линии с торцевой связью, которая ухудшает согласование.
Известен симметричный вибратор в печатном исполнении (A printed dipole antenna for RFID tag, KR 200430494 Y1, H01Q 9, 16.06.2006), содержащий печатный микрополосковый симметрирующий трансформатор с длиной линии равной ¼ длины волны. Микрополосковая линия вибратора находится на одной стороне диэлектрической подложки. Связь линии с вибратором обеспечивается перемычкой.
Однако, в указанном устройстве используется конструкция двухпроводной линии с торцевой связью, которая имеет большие потери по излучению, а, следовательно, худшее согласование и малый диапазон рабочих частот (ширина полосы -15% при КСВН не более 1,5) в сравнении с линией с лицевой связью.
Кроме того, известен симметричный вибратор в печатном исполнении (Microstrip fed printed dipole with an integral balun, US 4825220, H01Q 9, 26.11.1986), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, изготовленный на плоской двухсторонней фольгированной диэлектрической подложке путем нанесения рисунков на ее поверхностях. В устройстве, экран, образующий несимметричную микрополосковую линию передачи, разделен центральной щелью, тем самым образуя двухпроводную симметричную линию передачи. Для обеспечения эффективной синфазной запитки симметричного вибратора используется проводник, имеющий «J-образную» конфигурацию которая проходит над щелью и пересекает ее в непосредственной близости от вибратора. Данное устройство имеет малые габариты и небольшой вес, простую конструкцию и, как следствие, низкую стоимость и высокую технологичность.
Однако, в устройстве-прототипе использование короткозамкнутого шлейфа на основе двухпроводной линии с торцевой связью и питающего проводника «J-образной» конфигурации приводит к худшему согласованию нагрузки с линией передачи.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является улучшение согласования линии передачи с нагрузкой.
Технический результат достигается тем, что в известном симметричном вибраторе в печатном исполнении, выполненном на подложке, содержащей экран, двухпроводную симметричную линию, образующую короткозамкнутый шлейф, с одной стороны который подключен к плечам вибратора, с другой - к экрану, питающую линию, плечи вибратора и питающие проводники короткозамкнутого шлейфа расположены на разных сторонах подложки, при этом питающая линия выполнена в виде симметричной полосковой линии, внутренний проводник которой присоединен к одному из плеч вибратора посредством перемычки, а экран установлен перпендикулярно подложке.
На фиг. 1 и фиг. 2 приведен предлагаемый симметричный вибратор в печатном исполнении, на фиг. 3 - показана симметричная полосковая линия в разрезе использующаяся в качестве питающей линии, на фиг. 4 - диаграммы направленности антенны в плоскостях векторов напряженности электрического и магнитного полей, на фиг. 5 - частотная зависимость КСВН.
На фиг. 1-фиг. 3 и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - диэлектрик;
2 - внешние проводники симметричной полосковой линии;
3 - плечи вибратора;
4 - экран;
5 - внутренний проводник симметричной полосковой линии;
6 - перемычка.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) размещенное на диэлектрике 1, содержит симметричную полосковую линию, внешние проводники 2 которой с одного конца присоединены к плечам вибратора 3, с другого конца - к экрану 4, при этом внутренний проводник симметричной полосковой линии 5 присоединен к одному из плеч вибратора 3 посредством перемычки 6.
Симметричный вибратор в печатном исполнении работает следующим образом. СВЧ сигнал подается на внутренний проводник питающей линии 5 и через перемычку 6 поступает на первое плечо вибратора, а также, через четвертьволновый короткозамкнутый шлейф, образованный симметричной двухпроводной линий передачи с лицевой связью, на второе плечо вибратора. В результате чего по плечам вибратора 3 протекает синфазный ток, являющийся источником электромагнитного поля. Эффект улучшения согласования достигается за счет применения короткозамкнутого шлейфа с лицевой связью, который более высокочастотный и обладает меньшими потерями на излучение.
Сравнение заявляемого устройства с известными показывает, что заявляемое устройство имеет следующие отличительные особенности:
- расположение и форма соединительной линии (полосковая симметричная соединительная линия с заземленными наружными проводниками, имеет непосредственный контакт с плечом вибратора и может рассматриваться как линия с лицевой связью).
- расположение плеч вибратора (плечи разнесены друг относительно друга по разным сторонам диэлектрика).
- обладание меньшим реактивным сопротивлением в полосе частот, позволяет согласовывать питающую линию с антеннами различной геометрической формы.
Пример реализации устройства для работы в дециметровом диапазоне волн: плечи вибратора выполнены в виде диполя (толщина материала равна 0,1 мм), длина плеча 36,2 мм, ширина полосковой линии 6 мм. Размеры экрана 100×100 мм.
Макет широкополосного вибратора имеет рабочую полосу частот по уровню КСВН=1,5 порядка 24.3% от средней частоты (по уровню КСВН=2 порядка 28.6% от средней частоты) (Фиг. 4). Коэффициент усиления КУ=6 дБ (Фиг. 5).
Широкополосный вибратор может быть использован в составе фазированных антенных решеток (ФАР).