BG67154B1

BG67154B1 - Short antenna with back radiation with dielectric resonator exciter

Info

Publication number: BG67154B1
Application number: BG112574A
Authority: BG
Inventors: Георги ЧЕРВЕНКОВ; Цанев Червенков Георги
Original assignee: Технически Университет - Варна
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2020-10-15
Also published as: BG112574A

Abstract

The invention relates to the construction of a short antenna with back radiation with dielectric resonator exciter, which is intended to radiate and/or receive radio waves with linear polarization either separately or as a constituent element of complex antenna systems in radio communication, the radio navigational, radiolocation and signalling-security equipment in the in the meter, decimeter and centimeter frequency bands. The problem to be solved by the invention is to designing a short antenna with back radiation with a dielectric resonator exciter, with high amplification, mechanically stable and lightning protection construction. This is achieved by a short antenna with back radiation with a dielectric resonator exciter consisting of a common round metal base, a peripheral cylindrical metal screen, a small round metal reflector, a cylindrical metal rod connected to the peripheral screen and supporting the small reflector, a cylindrical dielectric resonator, excitation microstrip magnetic probe connected to coaxial connector. The galvanic connection between all metal elements of the antenna allows connecting of a grounding wire in the geometric centre on the lower side of the common round metal base, thus preventing the accumulation of electrostatic charge and providing its lightning protection.

Description

(54) КЪСА АНТЕНА С ОБРАТНО ИЗЛЪЧВАНЕ С ДИЕЛЕКТРИЧЕН РЕЗОНАТОРЕН ВЪЗБУДИТЕЛ(54) SHORT REVERSE ANTENNA WITH DIELECTRIC RESONATOR EXCITER

Област на техникатаField of technology

Изобретението се отнася до конструкция на къса антена с обратно излъчване с диелектричен резонаторен възбудител, която е предназначена за излъчване и/или приемане на радиовълни с линейна поляризация - самостоятелно или като съставен елемент на комплексни антенни системи в радиокомуникационната, радионавигационната, радиолокационната и сигнално-охранителната техника в метровия, дециметровия и сантиметровия честотни обхвати.The invention relates to the construction of a short antenna with reverse radiation with a dielectric resonator exciter, which is intended for transmission and / or reception of radio waves with linear polarization - independently or as a component of complex antenna systems in radio communication, radio navigation, radar and signal technique in the meter, decimeter and centimeter frequency ranges.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Известни са конструкции на къси антени с обратно излъчване с квадратна метална основа (голям отражател) и квадратен, правоъгълен или елиптичен малък метален отражател и диелектричен резонаторен възбудител, съставен от цилиндричен диелектричен резонатор с коаксиално-щифтово възбуждане [1-2]. Усилването на резонансната честота е около 4 пъти (от 5 dBi до 6.5 dBi) по-голямо от усилването на обикновената диелектрична резонаторна антена (около 6.5 dBi) или между 11.5 dBi и 13 dBi.Constructions of short reverse radiating antennas with a square metal base (large reflector) and a square, rectangular or elliptical small metal reflector and a dielectric resonator exciter composed of a cylindrical dielectric resonator with coaxial-pin excitation are known [1-2]. The gain of the resonant frequency is about 4 times (from 5 dBi to 6.5 dBi) greater than the gain of a conventional dielectric resonator antenna (about 6.5 dBi) or between 11.5 dBi and 13 dBi.

Най-близкото известно решение е конструкцията на къса антена с обратно излъчване, състояща се от квадратна плоска плътна метална основа (голям отражател), върху която е залепен цилиндричен диелектричен резонатор, над който е разположен малък плосък квадратен плътен метален отражател, геометричните центрове на които са разположени на една геометрична ос, отражателите лежат в успоредни равнини, а малкият отражател се поддържа от пенодиелектрични подпори, залепени, както към два от срещуположните му ъгли, така и към металната основа, а възбуждането на цилиндричния диелектричен резонатор е посредством цилиндричен метален щифт с височина равна на височината на цилиндричния диелектричен резонатор, долепен вертикално към околната страна на резонатора, като долният му край е запоен към вътрешния проводник на коаксиален конектор [1]. Основните недостатъци на тази антена са: ниската й механична устойчивост, което се дължи на това, че малкия отражател се поддържа на подпори от пенодиелектрик (с относителна диелектрична проницаемост 1,06-1,08), опиращи се в металната основа; високата хигроскопичност на подпорите от пенодиелектрик, разположени в резонаторния обем, формиран в пространството между големия и малкия плоскопаралелни отражатели, води до неконтролируемата промяна на електродинамичните характеристики на антената, при промяна на атмосферните условия (влажността), поради неконтролируемата промяна на относителната диелектрична проницаемост на пенодиелектрика и нарушаване на резонансното условие за работа на късата антена с обратно излъчване; натрупване на електростатичен заряд по повърхността на малкия отражател, който е електрически изолиран от металната основа от поддържащите го подпори от пенодиелектрик; натрупване на електростатичен заряд по повърхността на металния цилиндричен щифт запоен към вътрешния проводник на коаксиален конектор.The closest known solution is the construction of a short antenna with reverse radiation, consisting of a square flat solid metal base (large reflector), on which is glued a cylindrical dielectric resonator, above which is a small flat square solid metal reflector, the geometric centers of which are located on a geometric axis, the reflectors lie in parallel planes, and the small reflector is supported by foam dielectric supports glued to both of its opposite angles and to the metal base, and the excitation of the cylindrical dielectric resonator is by means of a cylindrical metal pin with a height equal to the height of the cylindrical dielectric resonator adhered vertically to the surrounding side of the resonator, the lower end of which is soldered to the inner conductor of a coaxial connector [1]. The main disadvantages of this antenna are: its low mechanical resistance, which is due to the fact that the small reflector is supported by foam dielectric supports (with a relative dielectric constant of 1.06-1.08) resting on the metal base; the high hygroscopicity of the foam dielectric supports located in the resonator volume formed in the space between the large and small plane-parallel reflectors leads to the uncontrollable change of the electrodynamic characteristics of the antenna, with changing atmospheric conditions (humidity) due to the uncontrollable change of the relative dielectric dielectric and violation of the resonant condition for operation of the short antenna with reverse radiation; accumulation of electrostatic charge on the surface of the small reflector, which is electrically isolated from the metal base by the supporting supports of the foam dielectric; accumulation of electrostatic charge on the surface of the metal cylindrical pin soldered to the inner conductor of a coaxial connector.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Цел на изобретението е да се създаде къса антена с обратно излъчване с диелектричен резонаторен възбудител за излъчване и/или приемане на радиовълни с линейна поляризация, с високо усилване, механично устойчива и мълниезащитена конструкция. Целта се постига с къса антена с обратно излъчване с диелектричен резонаторен възбудител, съгласно изобретението, състояща се от две съставни части - излъчваща и възбуждаща, съвместени в общ обем.It is an object of the invention to provide a short reverse radiation antenna with a dielectric resonator exciter for transmitting and / or receiving radio waves with linear polarization, high amplification, mechanically stable and lightning protection construction. The object is achieved by a short reverse radiation antenna with a dielectric resonator exciter according to the invention, consisting of two components - radiating and exciting, combined in a common volume.

Излъчващата част на антената включва обща (за излъчващата и възбуждащата част) кръгла плоска плътна метална основа (голям отражател), към периферията на която е запоен цилиндричен плътен метален екран, в стената на който са направени два диаметрално разположени проходни отвора, през които преминава цилиндричен метален прът, с диаметър равен на този на отворите и запоен към периферния екран, като диаметрално под пръта е разположен малък плосък кръгъл плътен метален диск (малък отражател), запоен към пръта, а отражателите лежат в успоредни равнини. Геометричните центрове на общата кръгла метална основа, малкия отражател и цилиндричния периферен метален екран лежат на една геометрична ос (геометрична ос на антената), преминаваща и през средата на цилиндричнияThe radiating part of the antenna includes a common (for the radiating and excitation part) round flat solid metal base (large reflector), to the periphery of which is soldered a cylindrical solid metal screen, in the wall of which are made two diametrically located through holes through which passes a cylindrical a metal rod with a diameter equal to that of the holes and soldered to the peripheral screen, with a small flat round solid metal disk (small reflector) soldered to the rod diametrically below the rod, and the reflectors lying in parallel planes. The geometric centers of the common round metal base, the small reflector and the cylindrical peripheral metal screen lie on a geometric axis (geometric axis of the antenna), passing through the middle of the cylindrical

67154 Bl метален прът. Диаметърът D, на общата кръгла метална основа и диаметърът D₂ на малкия кръгъл метален отражател удовлетворяват съотношението In D, = 1 + In D₂. Височината на цилиндричния периферен метален екран е равна на една пета част от диаметъра на общата кръгла метална основа.67154 Bl metal rod. The diameter D, of the common round metal base and the diameter D ₂ of the small round metal reflector satisfy the ratio In D, = 1 + In D ₂ . The height of the cylindrical peripheral metal screen is equal to one fifth of the diameter of the common round metal base.

Възбуждащата част на антената включва диелектричен резонаторен възбудител, който се състои от две кръгли диелектрични подложки разположени съосно една над друга и формиращи цилиндричен диелектричен резонатор залепен съосно върху общата кръгла метална основа. Диелектричният резонаторен възбудител се възбужда от микролентова магнитна сонда, която се състои от общата кръгла метална основа, метален лентов проводник ориентиран ортогонално спрямо цилиндричния метален прът поддържащ малкия отражател, метален щифт запоен към лентовия проводник и към металната основа, втори метален щифт запоен към лентовия проводник и към вътрешния проводник на коаксиален конектор. Коаксиалният конектор е разположен под общата метална основа, като геометричната му ос е успоредна на геометричната ос на антената, външният му проводник е запоен към общата метална основа, а вътрешният проводник на конектора преминава през пробит в общата метална основа проходен отвор, с диаметър равен на диаметъра на изолационния материал на конектора. Височината на металните щифтове е равна на разстоянието между геометричните им оси, ширината на лентовия проводник е равна на диаметъра на металните щифтове, а дължината на лентовия проводник е равна на 0.07λ_ά, където λ_ά е дължината на вълната в цилиндричния диелектричен резонатор за средната честота на антената. Разстоянието h между горната основа на цилиндричния диелектричен резонатор и малкия кръгъл метален отражател удовлетворява съотношението h = 0.5λ - h_d, където λ е средната дължина на вълната в работната честотна лента на антената, a h_d е височината на цилиндричния диелектричен резонатор.The excitation part of the antenna includes a dielectric resonator exciter, which consists of two circular dielectric pads arranged coaxially on top of each other and forming a cylindrical dielectric resonator glued coaxially on the common round metal base. The dielectric resonator exciter is excited by a microstrip magnetic probe, which consists of a common round metal base, a metal strip conductor oriented orthogonally to the cylindrical metal rod supporting the small reflector, a metal pin soldered to the strip conductor and to the metal base, a second metal rod soldered and to the inner conductor of a coaxial connector. The coaxial connector is located below the common metal base, its geometric axis is parallel to the geometric axis of the antenna, its outer conductor is soldered to the common metal base, and the inner conductor of the connector passes through a through hole drilled in the common metal base. the diameter of the insulating material of the connector. The height of the metal pins is equal to the distance between their geometric axes, the width of the strip wire is equal to the diameter of the metal pins, and the length of the strip wire is equal to 0.07λ _ά , where λ _ά is the wavelength in the cylindrical dielectric resonator for the average antenna frequency. The distance h between the upper base of the cylindrical dielectric resonator and the small round metal reflector satisfies the ratio h = 0.5λ - h _d , where λ is the average wavelength in the operating frequency band of the antenna, ah _d is the height of the cylindrical dielectric resonator.

Късата антена с обратно излъчване с диелектричен резонаторен възбудител се отличава с високо усилване и механично устойчива конструкция. Галваничната връзка между всички метални елементи на антената позволява свързване на заземителен проводник в геометричния център на долната страна на общата кръгла метална основа, като така се предотвратява натрупването на електростатичен заряд и се осигурява мълниезащитата й.The short reverse radiation antenna with a dielectric resonator exciter is characterized by high gain and mechanically stable construction. The galvanic connection between all metal elements of the antenna allows the connection of a ground wire in the geometric center on the underside of the common round metal base, thus preventing the accumulation of electrostatic charge and providing lightning protection.

Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures

Изобретението се пояснява по-подробно с примерно изпълнение, показано на приложените фигури, като:The invention is explained in more detail with an exemplary embodiment shown in the attached figures, such as:

Фигура 1 представлява разрез по А - А (фигура 2) на къса антена с обратно излъчване с диелектричен резонаторен възбудител;Figure 1 is a section along AA (Figure 2) of a short reverse radiation antenna with a dielectric resonator exciter;

Фигура 2 представлява поглед отгоре на къса антена с обратно излъчване с диелектричен резонаторен възбудител.Figure 2 is a top view of a short reverse radiation antenna with a dielectric resonator exciter.

Примерно изпълнение на изобретениетоAn exemplary embodiment of the invention

Късата антена с обратно излъчване с диелектричен резонаторен възбудител, съгласно фигура 1, се състои от две части - излъчваща и възбуждаща.The short reverse radiation antenna with a dielectric resonator exciter, according to Figure 1, consists of two parts - radiating and excitation.

Излъчващата част на антената включва обща кръгла плоска плътна метална основа 1, към периферията на която е запоен цилиндричен плътен метален екран 2, в стената на който са направени два диаметрално разположени проходни отвора 13а, 136, през които преминава цилиндричен метален прът 5, с диаметър равен на този на отворите 13а, 136 и запоен към периферния екран 2, като диаметрално под пръта 5 е разположен малък плосък кръгъл плътен метален диск 4, запоен към пръта 5, а геометричните центрове на 1, 2 и 4 лежат на една геометрична ос (геометрична ос на антената).The radiating part of the antenna includes a common round flat solid metal base 1, to the periphery of which is soldered a cylindrical solid metal screen 2, in the wall of which are made two diametrically arranged through holes 13a, 136, through which passes a cylindrical metal rod 5 with a diameter equal to that of the openings 13a, 136 and soldered to the peripheral screen 2, as diametrically below the rod 5 is a small flat round solid metal disk 4 soldered to the rod 5, and the geometric centers 1, 2 and 4 lie on a geometric axis ( geometric axis of the antenna).

Възбуждащата част на антената се състои от: включва обща кръгла плоска плътна метална основа 1, цилиндричен диелектричен резонаторен възбудител, който се състои от кръгла диелектрична подложка За залепена със слой лепило 12а към общата метална основа 1 и залепена със слой лепило 126 към кръгла диелектрична подложка 36, като геометричните центрове на За и 36 лежат на геометричната ос на антената. Диелектричният резонаторен възбудител се възбужда от микролентова магнитна сонда, която се състои от общата кръгла метална основа 1, метален лентов проводник 6 ориентиран ортогонално спрямо цилиндричния метален прът 5 и получен чрез фотолитографско ецване на метаThe excitation part of the antenna consists of: includes a common round flat solid metal base 1, a cylindrical dielectric resonator exciter, which consists of a round dielectric substrate For glued with a layer of glue 12a to the common metal base 1 and glued with a layer of glue 126 to a round dielectric 36, the geometric centers of 3a and 36 lying on the geometric axis of the antenna. The dielectric resonator exciter is excited by a microstrip magnetic probe, which consists of a common round metal base 1, a metal strip conductor 6 oriented orthogonally to the cylindrical metal rod 5 and obtained by photolithographic etching of meta

67154 Bl лен фолиен слой залепен с лепило към горната повърхност на диелектрична подложка За, в която са направени два идентични проходни отвора с диаметър равен на диаметъра на метални щифтове 7 и 8, като долния край на метален щифт 7 е запоен към лентовия проводник 6, а горният му край е запоен към металната основа 1, долния край на метален щифт 8 е запоен към лентовия проводник 6, а горният му край е запоен към вътрешния проводник 10 на коаксиалния конектор. Коаксиалният конектор е разположен под общата метална основа 1, като геометричната му ос е успоредна на геометричната ос на антената, външният му проводник 11 е запоен към долната повърхност на общата метална основа 1, а вътрешният проводник 10 на конектора преминава през пробит в общата метална основа 1 проходен отвор, с диаметър равен на диаметъра на изолационния материал 9 между външния 11 и вътрешния 10 коаксиални проводници на конектора.67154 Bl is a layer of foil glued to the upper surface of a dielectric pad 3a, in which two identical through holes with a diameter equal to the diameter of metal pins 7 and 8 are made, the lower end of a metal pin 7 being soldered to the strip wire 6, and its upper end is soldered to the metal base 1, the lower end of the metal pin 8 is soldered to the strip wire 6, and its upper end is soldered to the inner conductor 10 of the coaxial connector. The coaxial connector is located below the common metal base 1, its geometric axis is parallel to the geometric axis of the antenna, its outer conductor 11 is soldered to the lower surface of the common metal base 1, and the inner conductor 10 of the connector passes through a hole in the common metal base 1 is a through hole having a diameter equal to the diameter of the insulating material 9 between the outer 11 and inner 10 coaxial conductors of the connector.

Приложение (използване) на изобретениетоApplication of the invention

Късата антена с обратно излъчване с диелектричен резонаторен възбудител може да се използва за излъчване и/или приемане на радиовълни с линейна поляризация - самостоятелно или като съставен елемент на комплексни антенни системи в радиокомуникационната, радионавигационната, радиолокационната и сигнално-охранителната техника в метровия, дециметровия и сантиметровия честотни обхвати. В режим на излъчване електромагнитната енергия се подава през коаксиалния конектор, състоящ се от външния 11 и вътрешния 10 коаксиални проводници и изолационния материал 9 между тях, към микролентовата магнитна сонда, състояща се от общата кръгла метална основа 1, метален лентов проводник 6 и метални щифтове 7 и 8. В първия резонаторен обем формиран от диелектричния резонаторен възбудител състоящ се от цилиндричния диелектричен резонатор 3 залепен върху общата кръгла метална основа 1 се възбуждат електромагнитни колебания ТМ_И0 вследствие на високочестотния ток, протичащ в микролентовата магнитна сонда. Електромагнитната енергия от диелектричния резонаторен възбудител се излъчва интензивно в посока към малкия отражател 4 и възбужда втория резонатор на антената, образуван от металната основа 1, малкия отражател 4 и периферния метален екран 2, след което основният енергиен поток се излъчва през отвора, образуван между малкия кръгъл отражател 4 и периферния метален екран 2, с максимум ориентиран по посока на геометричната ос на антената.The short antenna with reverse radiation with a dielectric resonator exciter can be used for transmission and / or reception of radio waves with linear polarization - independently or as a component of complex antenna systems in radio communication, radio navigation, radar and signal protection equipment in metro, metro and deviation. centimeter frequency range. In radiation mode, the electromagnetic energy is supplied through the coaxial connector consisting of the outer 11 and inner 10 coaxial conductors and the insulating material 9 between them, to the microstrip magnetic probe consisting of the common round metal base 1, metal strip wire 6 and metal pins 7 and 8. In the first resonator volume formed by the dielectric resonator exciter consisting of the cylindrical dielectric resonator 3 glued on the common round metal base 1, electromagnetic oscillations TM _I0 are excited due to the high frequency current flowing in the microstrip magnetic probe. The electromagnetic energy from the dielectric resonator exciter is intensely radiated towards the small reflector 4 and excites the second resonator of the antenna formed by the metal base 1, the small reflector 4 and the peripheral metal screen 2, after which the main energy flux is emitted through the hole formed between the small a round reflector 4 and a peripheral metal screen 2, with a maximum oriented in the direction of the geometric axis of the antenna.

Периферният метален екран 2 намалява нивото на страничните и задното излъчване и пренасочват тяхната енергия в права посока, където тя се сумира с основния енергиен поток. Антената се отличава с високо усилване 16.5 dB и механично устойчива конструкция. Свързването на заземителен проводник в геометричния център на долната страна на общата кръгла метална основа, предотвратява натрупването на електростатичен заряд и се осигурява мълниезащита на антената.The peripheral metal screen 2 reduces the level of the side and rear radiation and redirects their energy in the right direction, where it is summed with the main energy flow. The antenna features a high gain of 16.5 dB and a mechanically stable construction. Connecting a ground wire in the geometric center on the underside of the common round metal base prevents the accumulation of electrostatic charge and provides lightning protection to the antenna.

Claims

Patent claims

A short reverse radiation antenna with a dielectric resonator exciter, consisting of a flat solid metal base (1), on which a cylindrical dielectric resonator (3) is glued, above which a small flat solid metal reflector (4) is located, the centers of which are located on a geometric axis, and a coaxial connector (11), characterized in that the flat solid metal base (1) and the small flat solid metal reflector (4) are round in shape, to the periphery of the metal base (1) is soldered cylindrical solid metal screen (2), in the wall of which are made two diametrically located through holes (13a and 136), through which passes a cylindrical metal rod (5) located diametrically above the small reflector (2) and soldered to it, the cylindrical the dielectric resonator (3) is excited by a microstrip magnetic probe, which consists of a metal base (1), a metal strip conductor (6), a metal pin (7) soldered to the strip conductor (6) and to the metal base (1), meta a linen pin (8) soldered to the strip conductor (6) and to the inner conductor (10) of a coaxial connector (11), the metal strip conductor (6) being oriented orthogonally to the cylindrical metal rod (5).

Dielectric resonator exciter shortwave antenna according to claim 1, characterized in that the diameter Dj of the metal base (1) and the diameter D ₄ of the small metal reflector (4) satisfy the ratio In D] = 1 + In D ₄ .

A short reverse radiation antenna with a dielectric resonator exciter according to claim 1, characterized in that the height of the peripheral metal screen (2) is equal to one-fifth of the diameter of the metal base (1).

Short reverse antenna with dielectric resonator exciter according to claim 1, characterized in that the height of the metal pins (7 and 8) is equal to the distance between their geometric axes, the width of the ribbon wire (6) is equal to the diameter of the metal pins, and the length of the strip wire (6) is equal to 0.07 λ _ό , where Z _d is the wavelength in the cylindrical dielectric resonator (3) for the average frequency of the antenna.

Dielectric resonator exciter shortwave antenna according to claim 1, characterized in that the distance h _t between the upper base of the cylindrical dielectric resonator (3) and the small round metal reflector (4) satisfies the ratio Ιη = 0.5λ - h _d , where λ is the average wavelength in the operating frequency band of the antenna, ah _d is the height of the cylindrical dielectric resonator (3).