CZ285794B6 - Plošná anténa - Google Patents

Abstract

Plošné antény (1) mají plošné rezonátory (5), které jsou prostřednictvím napájecího obvodu (6) spojeny s napájecím uzlem (7). Napájecí uzel (7) plošné antény (1) je prostřednictvím vazebního prvku (13) spojen s přípojem (11) zapojené elektroniky (12), zejména konvertoru. Vazební prvek (13) je koaxiální vodič, u kterého se poměr mezi vnějším průměrem vnitřního vodiče a vnitřním průměrem vnějšího vodiče (17) mezi napájecím uzlem (7) napájecího obvodu (6) a přípojem (11) zapojené elektroniky mění. ŕ

Description

Plošná anténa

Oblast techniky

Vynález se týká plošné antény s plošnými rezonátory, které jsou spojeny prostřednictvím napájecího obvodu s napájecím uzlem, přičemž napájecí uzel plošné antény, je prostřednictvím vazebního prvku spojen s přípojem zařazené elektroniky, zejména konvertoru a vazební prvek je koaxiální kabel, u kterého se poměr mezi vnějším průměrem vnitřního vodiče a mezi vnitřním průměrem vnějšího vodiče mění mezi napájecím uzlem napájecího obvodu a přípojem zařazené elektroniky.

Dosavadní stav techniky

V přítomné době známé anténové systémy pro příjem satelitových signálů, zejména televizních signálů, Astra signálů a DSR-signálů v rámci DBS-signálů v rámci DBS-Svazu (Direct Broadcasting Satellite) od 11,70 GHz až do 15,50 GHz pro elektronické komunikační prostředky spočívají na principu elektromagnetického vybuzení dipólových skupin, které jsou napájeny vždy v navzájem určitých fázích a tím vytvářejí lineárně polarizované nebo cirkulačně polarizované záření. Takovéto plošné antény se ponejvíce realizují třídeskovou technikou, nebo mikropáskovou technikou. Za plošnou anténou je zapojena elektronika, zejména konvertor, který zpracuje signály podle případu použití.

U tohoto druhu plošné antény se zařazenou elektronickou jsou potřebné rozměry jednotlivých stavebních skupin poměrně velké pro dosažení dostatečně velkého přijímacího a vysílacího výkonu, takže anténa má zbytečně velkou hmotnost, takže manipulace s ní je velmi pracná, takže použití takovéhoto zářičového systému je pro komerční oblast nevhodné. Dále, výrobní požadavky s ohledem na rozměry jednotlivých dílů pro použitých dutý vlnovod jsou velmi velké a vazba signálů je problematická, takže již při nepatrných výrobních odchylkách mají signály mezi jednotlivými stavebními prvky jen nedostatečnou vazbu. Také šumové přizpůsobení prostřednictvím takovéhoto dutého vlnovodu není možné.

Z pat. spisu JP-A-62-048103 je znám upevňovací díl pro anténu s mikropáskovým vedením, prostřednictvím kterého je anténa spojitelná s koaxiálním vodičem. Vychází přitom z antény s mikropáskovým vedením, která sestává z dielektrického materiálu, na jejímž jednom povrchu je upevněno mikropáskové vedení a na druhém povrchu je upevněn zemnící vodič. Zemnicí vodič má přitom vůči dielektrickému materiálu podstatně větší tloušťku. Jiná anténa s mikropáskovým vedením vycházející rovněž z uvedeného pat. spisu JP-A-62-048 103 má rovněž upevňovací díl, který je na zemnicí vodič upevněn pomocí šroubů. V upevňovacím dílu je vnitřní kolík, který je ve své poloze držen pomocí válcovitého dielektrického tělesa. Střední kolík má oblast s menším průměrem a oblast s větším průměrem, přičemž oblast s menším průměrem prochází dielektrickým materiálem a mikropáskovým vedením a s tímto je spojena pájením. Takovéto vytvoření kolíku má své přednosti i nevýhody. Přednost spočívá v tom, že je možnost pájení konce kolíku s mikropáskovým vedením a dále v tom, že v důsledku silnější oblasti středního kolíku je ulehčeno připojení na neznázoměné spínací obvody. Jak je v pat. spisu JPA-62-048103 ke známému stavu techniky uvedeno, vede vytvoření středního kolíku s malým a velkým průměrem k těm problémům, že skok vnějšího průměru středního kolíku v blízkosti mezní oblasti mezi zemnicím vodičem a dielektrickým tělesem vede k chybnému přizpůsobení mikropáskového vedení antény. Chybné přizpůsobení impedance má však za následek, že vzniknou ztráty odrazem a zářením. Aby se vzniku těchto ztrát odrazem a zářením zabránilo, je úkolem uvedeného pat. spisu JP-A-62-048103. Pro řešení uvedeného problému navrhuje se podle pat. spisu JP-A-62-048103 to, prodloužit oblast středního kolíku s menším průměrem ve směru zemního vodiče, a v oblasti zemního vodiče odklopit ji pouzdrem sestávajícím ze

-1 CZ 285794 B6 dielektrického materiálu, čímž vznikne přídavný vlnový odpor, pomocí kterého je proveditelné přizpůsobení impedance mezi oblastmi různého průměru středního kolíku. Pat. spis JP-A-62-048103 navrhuje pro to vhodné průměry Di a D₂. Aby se mohlo vytvořit spojení k elektrice, musí se do upevňovacího dílu zastrčit koaxiální pouzdro, které není v pat. spisu JP-A-62-048103 znázorněno. Z uvedeného patentního spisu je tedy přizpůsobení impedance v upevňovacím dílu známé. Upevňovací díl je podle uvedeného patentního spisu však ve svých rozměrech ve srovnání s rozměry plošné antény, příliš velký, čímž zabere spojení plošné antény a dále zařazení elektroniky, mnoho místa. Také jsou velké přenosové ztráty upevňovacího dílu, čímž je nepříznivě ovlivněna účinnost antény, neboť přizpůsobení impedance plošné antény a přiřazené elektroniky, není možné.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu tudíž je, miniaturizovat systém zářiče, s plošnou anténou, vazební prvek s dále zařazenou elektronikou, který sestává z jednoduchých a výrobně nenákladných dílů a pomocí kterého je možné přizpůsobení impedance mezi plošnou anténou a dále zařazenou elektronikou.

Tento úkol se podle vynálezu řeší tím, že vnitřní vodič koaxiálního vodiče má tři úseky vždy s rozdílnými průměry, přičemž vnější konec jednoho vnějšího úseku je spojen s napájecím uzlem plošné antény a vnější konec druhého vnějšího úseku je spojen s přípojným uzlem dále zařazené elektroniky a průměr středního úseku je větší nežli průměr obou vnějších úseků a vnější úseky jsou alespoň po částech obklopeny dielektrickým prstencovým kotoučem a každý úsek tvoří vlnový odpor, jehož velikost je určena průměrem a použitými materiály vnitřního a vnějšího vodiče, jakož i výškou prstencového kotouče příslušného úseku.

Výhodná provedení vynálezu jsou uvedena v podružných nárocích. Vazební prvek přitom sestává výhodně jen z mála dílů, které jsou jednoduše vyrobitelné. V důsledku pevné galvanické vazby takovéto elektromagnetické clony je systém zářiče zejména odolný proti působení mechanických sil, jakož i nečistot a je tudíž vynikající pro přenosné použití. Prostřednictvím systému zářiče podle vynálezu dají se podle vytvoření plošných rezonátorů přijímat nebo vysílat lineární vlny nebo vlny s cirkulující polarizací, čímž se mohou výhodně přijímat a vysílat signály nejrůznějších satelitů. Plošné rezonátory jsou přitom čtvercového nebo obdélníkového tvaru. Impedanční přizpůsobení komponentů prostřednictvím vazebního prvku lze výhodně relativně jednoduše realizovat délkovými změnami a/nebo změnami průměrů úseků Al, A2 a A3 vnitřních a vnějších vodičů. Výhodného dimenzování se může dosáhnout pomocí vhodného číslicového přibližovacího systému, přičemž se změny rozměrů jakož i změny materiálu jednoho dílu projeví při volně rozměrů nebo materiálové konstanty jiných dílů. Dobrého impedančního a šumového přizpůsobení se dosáhne hodnotami pro vazební díl, zjištěnými, resp. uvedenými v podružném nároku 11. S popsanými hodnotami je systém záření optimální pro frekvenční pásmo 11,70- 12,50 GHZ.

V důsledku skokové změny vnějšího průměru vnitřního vodiče a jeho rozdělení na dva díly lze systém zářiče snadno a rychle montovat. Nejsou potřebné žádné přídavné díly, které by musely udržovati části vnitřního vodiče a prstencové kotouče v jejich poloze. Dále se zjednodušuje číslicový způsob v důsledku rozdělení vazebního prvku ve tři úseky Al, A2, a A3, takže pro konstrukční výpočty se musí brát v úvahu jen tři vlnové odpory.

Protože vnější konce vnitřního vodiče vazebního dílu se s napájecím uzlem příp. přípojným uzlem spojí pájením, obdrží se tak trvalé elektrické spojení mezi jednotlivými komponenty.

Impedančního přizpůsobení se může také dosáhnout tak, že vnitřní průměr vnějšího vodiče a vnější průměr vnitřního vodiče se zvolí konstantní, přičemž současně navzájem sousedící strany dielektrických prstencových kotoučů jsou uspořádány s rozdílnými dielektrickými konstantami

-2CZ 285794 B6 mezi základními deskami plošné antény a přiřazenou elektronikou. Tloušťka toho kterého prstencového kotouče a jeho materiálu určují vlnový odpor úseku. Optimální hodnoty lze vypočítat pomocí vhodného číslicového postupu. V důsledku konstrukce navržené v mikropáskové technice, se může plošná anténa s přiřazenou elektronikou vyrábět poměrně s malými náklady a jednoduše, čímž vzniknou právě při velkém počtu vyráběných kusů velké úspory na výrobních nákladech.

Mechanická nosná deska stabilizuje systém zářiče a utěsňuje výhodně vazební díl stejně jako základní rovinu vůči okolnímu světu.

Aby se daly oběhově polarizované elektromagnetické vlny prostřednictvím plošné antény přijímat, případně vysílat, mohou se použít obdélníkové nebo čtvercové plošné rezonátory, přičemž u čtvercových plošných rezonátorů se uspořádají přídavné parazitní prvky zářiče ve tvaru páskových vodičů paralelně ke každé ze dvou protiležících hran plošného rezonátorů v určité vzdálenosti k nim. Vzdálenost, která se má zvolit, závisí od toho, pro jaké frekvence, příp. pro jaké podmínky frekvence se má plošný rezonátor optimalizovat, případně nastavit. Plošné rezonátory a paralelní páskové vodiče mohou se výhodně zhotovit pomocí laserového paprsku, přičemž se nejdříve pomocí litografíckého výrobního způsobu zhotoví obdélníková plocha. Na to se pomocí laserového paprsku může provést přesné vyladění nebo se provede žádané frekvenční odlišení plošných rezonátorů jedné skupiny vůči sobě navzájem.

Místo rovnoběžných páskových vodičů, které jsou vyrobitelné laserovým paprskem nebo litografickým výrobním způsobem, může se také u čtvercového rezonátorů provésti vyladění frekvence pomocí dvou stejných zejména kapacitních reakčních prvků, které jsou svým jedním pólem spojeny s průsečíkem plošných diagonál a druhým svým pólem vždy s jednou hranou plošného rezonátorů, přičemž obě hrany musí být navzájem protilehlé, aby se dosáhlo symetrie, která bude vyhovovat podmínkám kmitání. Pomocí reakčních prvků, například kondenzátorů se může dosáhnout nenákladného vyladění, které lze snadno provésti ručně.

Dále lze u čtvercových plošných rezonátorů vytvořit mezery ve středu dvou navzájem proti sobě ležících hran pomocí laseru nebo leptáním, které umožňují také se čtvercovými rezonátory vysílat příp. přijímat cirkulačně polarizované vlny. Přitom se při šířce mezery 0,025 délky vodivé vlny dosáhne modemová superpozice pro dosažení cirkulační polarizace s elipsovitostí menší než 1 dB ve frekvenčním pásmu plošné antény. Rozměry mezer musí být přitom stejné. Délka mezer ve směru ke středu plošného rezonátorů určuje frekvenci, která je plošným rezonátorem vysílána/přij ímána.

Přídavnou dielektrickou tenkou vrstvou se dosáhne impedančního přizpůsobení mezi plošnými rezonátory a vyzařovacím prostorem, čímž se výhodně zvýší výkonnost antény. Také plošné rezonátory, napájecí obvod a vazební díl jsou chráněny proti vnějším vlivům, jako nečistotám a vodě.

Přehled obrázků na výkrese

V dalším textu bude vynález blíže vysvětlen na příkladech provedení, znázorněných na výkresech.

Na obr. 1 je znázorněn pohled ze shora na plošnou anténu s polem z plošných rezonátorů, které jsou prostřednictvím napájecího obvodu se stejnou fází spojeny s napájecím uzlem.

Na obr. 2 je znázorněn pohled ze strany na vazební prvek.

Na obr. 3 je znázorněn pohled ze strany na vazební prvek.

-3 CZ 285794 B6

Na obr. 4 je znázorněn prvek plošného rezonátoru s paralelními páskovými vodiči.

Na obr. 5 je znázorněn prvek plošného rezonátoru s reaktačními obvodovými prvky.

Na obr. 6 je znázorněn prvek plošného rezonátoru s mezerou ve vodivém prvku.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 ukazuje pohled ze shora na plošnou anténu 1. Plošná anténa 1 je zhotovena mikropáskovou technikou, přičemž základní deska 2 je z RT/duroidu 5880, která je na svých plochých stranách opatřena vždy tenkou měděnou vrstvou 3, 4 o tloušťce vrstvy 17,5 pm. Plošná anténa 1 má více plošných rezonátorů 5, které jsou spojeny prostřednictvím napájecího obvodu 6 ve stejné fázi s napájecím uzlem 7. Plošné rezonátory 5, napájecí obvod 6, a napájecí uzel 7 jsou zhotoveny běžným fotolitografíckým způsobem. Strana plošné antény 1 odvrácená od vyřazovacího prostoru tvoří hmotnou resp. základní rovinu 8 plošné antény 1. Napájecí obvod 3 a plošné rezonátory 5 jsou impedančně navzájem přizpůsobeny prostřednictvím tence vytvořených páskových vedeních 9, a jsou pod úhlem 45° vzhledem k prodlouženým hranám JO plošných rezonátorů 5 spojeny s rohy plošných rezonátorů 5.

Napojení napájecího uzlu 7 plošné antény 1 na přípojný uzel 11 elektroniky 12 se provádí, jak je znázorněno v obr. 2 a 3, prostřednictvím vazebního prvku 13. Zapojená elektronika 12 je rovněž zhotovena mikropáskovou technikou a má na straně, přivrácené k plošné anténě 1, hmotnostní rovinu 14 a na své straně, odvrácené od plošné antény j., připájenou elektroniku 15, jakož i přípojný uzel ]6. Vazební prvek 13 sestává ze tří úseků Al, A2 a A3, které tvoří vlnové odpory Zl, Z2 a Z3. Vnější vodič 17 je pouzdro, které se při montáži systému zářiče na svých čelních stranách 18 spojí s hmotnostní rovinou 8, 14 prostřednictvím lisovaného spoje. Mezi hmotnostními rovinami 8, 14 je uspořádaná mechanická nosná deska 19, která obepíná vnější vodič 17. Vnitřní vodič sestává ze dvou rotačně symetrických dílů (20, 21). Vnější průměr D3 vnějšího dílu 21 vnitřního vodiče je roven vnitřnímu průměru otvoru 22 středního dílu 23 úseku. Druhý vnější díl 24 vnitřního vodiče má menší průměr Dl nežli natvarovaný střední díl 23 vnitřního vodiče. Na obou vnějších dílech 21, '24 vnitřního vodiče jsou nasunuty prstencové kotouče 26, 27, jejichž vnitřní průměr R11. R12 je roven příslušnému vnějšímu průměru dílů 21, 24 vnitřního vodiče a jejich vnější průměr RA1, RA2 je roven vnitřnímu průměru vnějšího vodiče 17. Mezi středním dílem 23 středního vodiče a vnějším vodičem 17 je prstencová vzduchová mezera 28. Součet délek úseků Al. A2, a A3 odpovídá vzdálenosti obou základních desek 2, 29. Oba vnější díly 21, 24 vnitřního vodiče prochází základními deskami 2, 29 a jsou spájeny s napájecím uzlem 7 příp. s přípojným uzlem 16.

Otvor 22 středního dílu 23 vnitřního vodiče je tak hluboký, že při respektování tolerancí vznikajících při výrobě je stále vzduchová mezera L mezi čelní stranou vnějšího dílu 21 vnitřního vodiče a dnem otvoru 22.

Nad plošným rezonátorem 5 je ve vzdálenosti poloviny vlnové délky volného prostoru paralelně uspořádaná dielektrická tenká vrstva 35, jejíž dielektrická konstanta je zvolena tak, že vyzařovací prostor a plošná anténa 1 jsou impedančně navzájem sobě přizpůsobeny. Toho se dosáhne tím, jestliže tloušťka dielektrické vrstvy je přibližně 0,6 až 0,9 mm a dielektrická konstanta je rovna 2,05 až 4.

V obr. 4 a 5 jsou znázorněna výhodná provedení plošných rezonátorů 5.

-4CZ 285794 B6

Obr. 4 ukazuje čtvercový plošný rezonátor 5, který má na svých hranách 30 probíhajících rovnoběžně s osou Y, ve vzdálenosti A paralelně uspořádané páskové vodiče 31, které představují parazitní prvky zářiče. Páskové vodiče 31 slouží přitom k modemovému přizpůsobení.

Obr. 5 ukazuje čtvercový plošný rezonátor 5, na jehož střed 32 jsou napojeny dva kapacitní reakční prvky 33 (kondenzátory). Svými druhými póly 34 jsou reaktanční prvky 33 připojeny na protiležící hrany 30 plošného rezonátoru 5.

Obr. 6 ukazuje čtvercový plošný rezonátor 5, na jehož hranách 30 ve směru středu 32 jsou vytvořeny dvě mezery 36 s délkou SA a šířkou SB.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Plošná anténa s plošnými rezonátory, které jsou prostřednictvím napájecího obvodu spojeny s napájecím uzlem, přičemž napájecí uzel plošné antény je prostřednictvím vazebního prvku spojen s přípojem zapojené elektroniky, zejména konvertoru, přičemž vazební prvek je koaxiální kabel, u kterého se poměr mezi vnějším průměrem vnitřního vodiče a vnitřním průměrem vnějšího vodiče mění mezi napájecím uzlem napájecího obvodu a přípojem zapojené elektroniky, vyznačující se tím, že vnitřní vodič (20, 21) koaxiálního vodiče má tři úseky (AI, A2, A3) vždy s rozdílnými průměry (Dl, D2, D3), přičemž vnější konec jednoho vnějšího úseku (AI) je elektricky spojen s napájecím uzlem (7) plošné antény (1) a vnější konec druhého vnějšího úseku (A3) je spojen s přípojným uzlem (11) zapojené elektroniky (12) a průměr (D2) středního úseku (A2) je větší nežli průměry (Dl, D3) obou krajních úseků (AI, A3), a vnější úseky (AI, A3) jsou alespoň po částech obepnuty dielektrickým prstencovým kotoučem (Rl, R2) a každý úsek (AI, A2, A3) tvoří vlnový odpor (21, 22, 23), jehož velikost je určena průměry (Dl, D2, D3, DA) jakož i použitým materiálem vnitřního a vnějšího vodiče (20, 21, 17), jakož i výškou prstencových kotoučů (Rl, R2) příslušného úseku (AI, A3).
2. 2. Plošná anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že vnitřní vodič je svým jedním koncem elektricky spojen s napájecím uzlem (7) plošné antény (1) a svým druhým koncem s přípojným uzlem (11) zapojené elektroniky (12) a vnější vodič (17) je elektricky spojen s hmotou příp. základní rovinou (8, 14) plošné antény (1) a se zapojenou elektronikou (12).
3. 3. Plošná antény podle nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že vnitřní vodič (20, 21) je vícedílný, přičemž jednotlivé díly (20, 21) jsou navzájem elektricky spojeny a zejména úseky (AI a A2) jsou vytvořeny jako jeden díl a úsek (A3) zasahuje alespoň částečně do slepého otvoru (22) středního úseku (22) nacházejícího se v čelní straně odvrácené od úseku (AI).
4. 4. Plošná anténa podle některého z předcházejících nároků laž3, vyznačující se tím, že vlnové odpory (Zl, Z2, Z3) plošné antény (1), tvořené jednotlivými úseky (AI, A2, A3) koaxiálního vodiče a zapojená elektronika (12) jsou navzájem impedančně a/nebo šumově přizpůsobeny.
5. 5. Plošná anténa podle některého z předcházejících nároků laž4, vyznačující se tí m , že plošná anténa (1) a/nebo zapojená elektronika (12) jsou zhotoveny mikropáskovou technikou, sestávající vždy z nosné desky (2, 29), jejíž jedna strana, odvrácená od vazebního dílu (13) nese páskové kovové vodiče, napájecí obvod (6) s napájecím uzlem (7), plošné rezonátory

   -5CZ 285794 B6 (5) a/nebo elektroniku (12) a druhá strana nese kovovou hmotnostní příp. základní rovinu (2, 29), která je elektronicky spojena s vnějším vodičem (17) a že vnější úsek (Al, A3) vnitřního vodiče, přivrácený k plošné anténě (1) nebo zapojené elektroniky (12), prochází svým vnějším koncem dielektrickou nosnou deskou (2, 29) v oblasti napájecího uzlu (7) příp. přípojného uzlu (11) a je 5 elektricky spojen s napájecím uzlem (7) příp. přípojným uzlem (11).
6. 6. Plošná anténa podle některého z předcházejících nároků laž5, vyznačující se tím, že na vnější úseky (Al, A3) vnitřního vodiče je nasunut nejméně jeden prstencový kotouč (Rl, R2), který dosedá vždy svou jednou čelní stranou na střední úsek (23) vnitřního

   10 vodiče a svou druhou čelní stranou dosedá na nosnou desku (2) plošné antény (1) příp. nosné desky (29) zapojené elektroniky (12).
7. 7. Plošná anténa podle některého z předcházejících nároků laž6, vyznačující se tím, že mezi kovovými hmotnostními příp. základními rovinami a plošnou anténou (1) a

   15 zapojenou elektronickou (12) je nejméně jedna mechanická nosná deska (19), jejichž tloušťka, příp. jejichž celková tloušťka odpovídá přibližně délce vnějšího vodiče (17) koaxiálního vodiče a která obepíná vnější vodič (17).
8. 8. Plošná anténa podle některého z předcházejících nároků laž7, vyznačující se

   20 tím, že plošná anténa (1) přijímá prostřednictvím plošných rezonátorů (5) elektromagnetické vlny frekvenčního pásma 11,70 GHz až 12,50 GHz a prostřednictvím napájecího obvodu (6) je vede k napájecímu uzlu (7), přičemž pro vazební díl (13) platí následující rozměry a materiálové vlastnosti:

   a) vnější vodič:

   materiál: hliník Al, měď CU, stříbro AG, zejména měď CU, vodivost: 35,4 . 10⁶ - 63,5 x 10⁶ S/m.

   b) vnitřní průměr: (DA) zejména zejména vnitřní vodič: vnější úsek (Al): délka: (LA1) zejména vnější průměr: (Dl) zejména