EA008694B1

EA008694B1 - Ferroelectric antenna

Info

Publication number: EA008694B1
Application number: EA200600219A
Authority: EA
Inventors: Жыргалбек Омуралиевич Сарымсаков; Сергей Павлович Татаринов; Талгат Бекузакович ТУРСУНОВ
Original assignee: Жыргалбек Омуралиевич Сарымсаков; Сергей Павлович Татаринов; Талгат Бекузакович ТУРСУНОВ
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2007-06-29
Also published as: EA200600219A1

Abstract

The invention relates to transceiving antenna facilities operating in a wide range of wave bands (from meter band to microwaves) and can be used different purpose stationary and mobile radio systems. The inventive transceiving compact antenna consists of a ferroceramic material being in a ferrophase with an electric vibrator.

Description

Изобретение относится к области приемопередающих антенных устройств, работающих в широком диапазоне длин волн (от метрового до сантиметрового), и может быть использовано как в стационарных, так и в мобильных радиосистемах различного назначения.The invention relates to the field of transceiver antenna devices operating in a wide range of wavelengths (from meter to centimeter), and can be used both in stationary and in mobile radio systems for various purposes.

Известная приемопередающая малогабаритная сегнетоэлектрическая антенна, описанная в патенте РФ № 2138102, Н01О 19/09, 1999 г., состоит из сегнетокерамического материала, выполненного в виде цилиндрического объема с соосно размещенным внутри несимметричным электрическим вибратором. Цилиндрический объем выполнен из сегнетокерамики, находящейся в сегнетофазе. Данный вариант антенны предполагает использование дополнительных управляющих сетчатых электродов, нанесенных на противоположные торцевые поверхности цилиндрического объема сегнетокерамики, предназначенных для точной настройки в требуемом диапазоне длин волн. Такое решение имеет существенный недостаток, заключающийся в необходимости прикладывания значительных управляющих напряжений, достигающих нескольких сотен и тысяч вольт, что ограничивает его применение в мобильных устройствах.Known transceiver small-sized ferroelectric antenna described in the patent of the Russian Federation No. 2138102, НОО 19/09, 1999, consists of a ferro-ceramic material made in the form of a cylindrical volume with an asymmetric electric vibrator coaxially placed inside. The cylindrical volume is made of ferroceramics located in the ferroelectric phase. This version of the antenna involves the use of additional control mesh electrodes deposited on opposite end surfaces of the cylindrical volume of ferroceramics, designed to fine tune in the desired wavelength range. This solution has a significant drawback, consisting in the need to apply significant control voltages, reaching several hundred and thousands of volts, which limits its use in mobile devices.

Целью настоящего изобретения является создание малогабаритной селективной высокоэффективной антенны.The aim of the present invention is to provide a compact selective high-performance antenna.

Указанная цель достигается тем, что электрический вибратор наносится на поверхность сегнетокерамики, обладающей высоким значением относительной диэлектрической проницаемости ε, что позволяет в /ε раз сократить геометрические размеры вибратора по сравнению со свободным пространством.This goal is achieved by the fact that the electric vibrator is applied to the surface of ferroceramics with a high value of relative permittivity ε, which allows to reduce the geometrical dimensions of the vibrator / ε times compared to free space.

Известно, что сегнетоэлектрическая керамика имеет высокий коэффициент относительной диэлектрической проницаемости ε. Известно также, что сегнетоэлектрическая керамика имеет свойство генерировать электрические заряды на поверхности в результате механических колебаний и, наоборот, совершать механические колебания под воздействием внешних электрических сил. Доменный сильно поляризованный характер структуры сегнетокерамики обусловливает появление на поверхности сегнетокерамики электромеханических колебаний под воздействием электрической компоненты внешнего переменного электромагнитного поля (в случае приема). Поверхностные электромеханические колебания сильнополяризованной доменной структуры сегнетокерамики приводят к появлению поверхностных токов с частотой, соответствующей частоте внешнего электромагнитного поля, и длиной волны, зависящей от скорости распространения этих электромеханических колебаний по поверхности сегнетокерамики. Таким образом, сегнетокерамическая антенна является своеобразным трансформатором, преобразующим энергию принимаемого электромагнитного поля в энергию электромеханических колебаний электрических диполей доменной структуры. За счет высокой диэлектрической проницаемости (ε~1000) сегнетокерамических материалов по сравнению со свободным пространством (ε~1) достигается большой коэффициент трансформации энергии в малом объеме, что позволяет резко сократить геометрические размеры антенны.It is known that ferroelectric ceramics has a high coefficient of relative permittivity ε. It is also known that ferroelectric ceramics has the property of generating electric charges on the surface as a result of mechanical vibrations and, conversely, to perform mechanical vibrations under the influence of external electric forces. The strongly polarized domain character of the structure of ferroceramics causes the appearance of electromechanical vibrations on the surface of ferroceramics under the influence of the electric component of an external alternating electromagnetic field (if received). Surface electromechanical vibrations of a strongly polarized domain structure of ferroceramics lead to the appearance of surface currents with a frequency corresponding to the frequency of an external electromagnetic field and a wavelength that depends on the propagation velocity of these electromechanical vibrations on the surface of ferroceramics. Thus, the ferroceramic antenna is a kind of transformer that converts the energy of the received electromagnetic field into the energy of electromechanical vibrations of electric dipoles of the domain structure. Due to the high dielectric constant (ε ~ 1000) of ferro-ceramic materials, compared with the free space (ε ~ 1), a large coefficient of energy transformation in a small volume is achieved, which makes it possible to sharply reduce the geometric dimensions of the antenna.

Для повышения эффективности работы сегнетокерамической антенны электрические вибраторы, наносимые на поверхность сегнетокерамики, выполняются в виде системы из вложенных одна в другую пространственных решеток электрических вибраторов. Каждая из решеток характеризуется периодом. Очевидно, что максимальный коэффициент трансформации для подобной системы будет наблюдаться на частоте Ρ=ν/ά, где Р - частота, V - скорость распространения поверхностных электромеханических колебаний, ά - период пространственной решетки электрических вибраторов. Таким образом, задавая период пространственной решетки электрических вибраторов, можно получить антенные системы с резонансными свойствами, что увеличит эффективность устройства и его помехозащищенность. Варьируя геометрические параметры решетки (соотношение длина/ширина электродов, их количество и т.д.), можно получить необходимую добротность резонансной системы и необходимую полосу пропускания для конкретного применения.To increase the efficiency of the ferroceramic antenna, electric vibrators applied to the surface of ferroceramics are made in the form of a system of spatial lattices of electric vibrators embedded in one another. Each of the gratings is characterized by a period. Obviously, the maximum transformation coefficient for such a system will be observed at the frequency Ρ = ν / ά, where P is the frequency, V is the propagation velocity of surface electromechanical vibrations, and ά is the spatial lattice of electric vibrators. Thus, by setting the period of the spatial lattice of electric vibrators, it is possible to obtain antenna systems with resonant properties, which will increase the efficiency of the device and its noise immunity. By varying the geometric parameters of the lattice (the ratio of the length / width of the electrodes, their number, etc.), it is possible to obtain the necessary quality factor of the resonance system and the necessary bandwidth for a specific application.

Данная сегнетокерамическая антенна обладает свойством обратимости - при подведении переменного высокочастотного электрического сигнала к электрическим вибраторам возникают поверхностные электромеханические волны, которые за счет доменной сильно поляризованной структуры сегнетокерамики трансформируются во внешнее электромагнитное поле. Это свойство обратимости позволяет использовать сегнетокерамическую антенну как для приема, так и для передачи электромагнитных волн.This ferroceramic antenna has the property of reversibility - when an alternating high-frequency electric signal is applied to electric vibrators, surface electromechanical waves appear, which are transformed into an external electromagnetic field due to the domain strongly polarized ferroceramic structure. This reversibility property allows the use of a ferroceramic antenna for both receiving and transmitting electromagnetic waves.

На чертеже изображен предлагаемый вариант сегнетокерамической антенны. Антенна представляет собой, в данном случае, цилиндрический объем сегнетокерамики 1 и нанесенные на поверхность сегнетокерамики электроды-вибраторы 2. С помощью электрических контактов 3 производится подключение сегнетокерамической антенны к приемопередающему устройству. Электроды 2 выполнены в виде периодических решеток. Период повторения элементов решетки электродов определяет резонансные свойства вибратора и антенны в целом. Комбинируя группы электродов с различными периодами повторения элементов, можно построить многодиапазонную приемопередающую антенную систему. Электроды могут быть нанесены любым известным способом, в том числе с применением современных фотолитографических технологий, методом ионного осаждения и т.д.The drawing shows the proposed option ferroceramic antenna. The antenna is, in this case, a cylindrical volume of ferroceramics 1 and electrodes-vibrators 2 deposited on the surface of ferroceramics 2. Using the electrical contacts 3, a ferroceramic antenna is connected to a transceiver device. The electrodes 2 are made in the form of periodic gratings. The repetition period of the elements of the array of electrodes determines the resonance properties of the vibrator and the antenna as a whole. By combining groups of electrodes with different periods of repetition of elements, it is possible to build a multi-band transceiver antenna system. The electrodes can be deposited in any known manner, including using modern photolithographic technologies, ion deposition, etc.

Claims

CLAIM

Transmitting small-sized antenna consisting of a ferroelectric material in the ferroelectric phase, and an electric vibrator, characterized in that the vibrator is made deposited on the surface of ferroelectric ceramics in the form of a periodic lattice, and the parameters of the lattice elements are selected depending on the desired frequency range.