RU154312U1

RU154312U1 - FRAME ANTENNA

Info

Publication number: RU154312U1
Application number: RU2015113789/08U
Authority: RU
Inventors: Орест Генрихович Вендик; Ирина Борисовна Вендик; Павел Анатольевич Туральчук
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2015-08-20

Abstract

1. Рамочная антенна, содержащая рамку и устройство синфазно-противофазного возбуждения, отличающаяся тем, что рамка выполнена в виде планарной линии передачи на диэлектрической подложке, в которую введены емкостной элемент с одной стороны, а с противоположной ее стороны - устройство синфазно-противофазного возбуждения, выполненное в виде согласующего симметрирующего устройства и резонансного контура, образованного параллельным соединением индуктивного и емкостного элементов, причем размеры рамочной антенны соизмеримы с длиной волны.2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что согласующее симметрирующее устройство выполнено в виде фазосдвигающей цепи на элементах с сосредоточенными параметрами, одно из плеч которого реализовано виде соединения последовательной индуктивности и параллельной емкости, а второе - в виде соединения последовательной емкости и параллельной индуктивности, обеспечивающих фазовый сдвиг +90 и -90 относительно входа антенны, который объединен со средней точкой индуктивного элемента резонансного контура.1. A loop antenna containing a frame and an in-phase antiphase excitation device, characterized in that the frame is made in the form of a planar transmission line on a dielectric substrate into which a capacitive element is inserted on one side, and an in-phase antiphase excitation device on its opposite side, made in the form of a matching balancing device and a resonant circuit formed by parallel connection of inductive and capacitive elements, and the dimensions of the frame antenna are comparable with the wavelength. 2. The antenna according to claim 1, characterized in that the matching balancing device is made in the form of a phase-shifting circuit on elements with lumped parameters, one of the arms of which is implemented as a connection of a series inductance and a parallel capacitance, and the second - in the form of a connection of a series capacitance and a parallel inductance, providing phase shift of +90 and -90 relative to the antenna input, which is combined with the midpoint of the inductive element of the resonant circuit.

Description

Прилагаемая полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в системах телекоммуникаций.The attached utility model relates to antenna technology and can be used in telecommunication systems.

Из существующего уровня техники известна рамочная антенна, содержащая встроенный конденсатор (GB438326 (A), МПК G01S 3/08). Однако антенна имеет низкую направленность. Известны конструкции рамочных антенн, представляющие собой комбинацию одиночной рамки и вертикального вибратора (US 3882506, МПК H01Q 21/00), или комбинацию двух взаимно ортогональных рамок (RU 2510107, МПК H01Q 7/00), которые формируют диаграмму направленности в виде кардиоиды. Однако антенны обладают существенными габаритными размерами.A loop antenna is known from the prior art comprising an integrated capacitor (GB438326 (A), IPC G01S 3/08). However, the antenna has a low directivity. Known are the designs of loop antennas, which are a combination of a single frame and a vertical vibrator (US 3882506, IPC H01Q 21/00), or a combination of two mutually orthogonal frames (RU 2510107, IPC H01Q 7/00), which form a radiation pattern in the form of cardioids. However, antennas have significant overall dimensions.

Наиболее близким аналогом является активная рамочная антенна, которая содержит рамку и устройство синфазно-противофазного возбуждения (SU 902123, МПК H01Q 23/00). Однако известная антенна не может быть использована в диапазоне СВЧ ввиду использования дифференциального трансформатора для синфазно-противофазного возбуждения антенны. Кроме того, рамочная антенна, имеющая размеры много меньше длины волны в диапазоне СВЧ, имеет малое сопротивление излучения (доли Ома), что значительно снижает ее коэффициент полезного действия (КПД). Также недостатком прототипа можно считать то, что наличие дифференциального и синфазного усилителей в составе антенны существенно усложняет ее конструкцию.The closest analogue is an active loop antenna, which contains a frame and an in-phase antiphase excitation device (SU 902123, IPC H01Q 23/00). However, the known antenna cannot be used in the microwave range due to the use of a differential transformer for in-phase antiphase excitation of the antenna. In addition, a loop antenna, having dimensions much smaller than the wavelength in the microwave range, has a low radiation resistance (Ohm fraction), which significantly reduces its efficiency (efficiency). Also a disadvantage of the prototype can be considered that the presence of differential and common-mode amplifiers in the composition of the antenna significantly complicates its design.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является увеличение КПД направленной рамочной антенны в диапазоне СВЧ и снижение массогабаритных показателей.The task to which the proposed technical solution is directed is to increase the efficiency of the directional loop antenna in the microwave range and reduce the overall dimensions.

Для решения поставленной задачи направленная рамочная антенна так же, как и известное решение, содержит рамку и устройство синфазно-противофазного возбуждения. Но, в отличие от известной антенны, предлагаемая направленная антенна выполнена в виде планарной линии передачи на диэлектрической подложке, в которую введены емкостной элемент с одной стороны, а с противоположной ее стороны устройство синфазно-противофазного возбуждения, выполненное в виде согласующего симметрирующего устройства и резонансного контура, образованного параллельным соединением индуктивного и емкостного элементов. Причем размеры рамочной антенны соизмеримы с длиной волны.To solve the problem, a directional loop antenna, like the well-known solution, contains a frame and an in-phase antiphase excitation device. But, unlike the known antenna, the proposed directional antenna is made in the form of a planar transmission line on a dielectric substrate into which a capacitive element is inserted on one side, and an in-phase antiphase excitation device made on the opposite side, made in the form of a matching balancing device and a resonant circuit formed by the parallel connection of inductive and capacitive elements. Moreover, the dimensions of the loop antenna are commensurate with the wavelength.

Достигаемым техническим результатом является увеличение КПД рамочной антенны в диапазоне СВЧ введением емкостного элемента с одной ее стороны, а с противоположной ее стороны - согласующего симметрирующего устройства и резонансного контура. При этом рамочная антенна имеет размеры соизмеримые с длиной волны в диапазоне СВЧ и, как следствие, высокий КПД. Уменьшение массогабаритных показателей антенны достигается использованием сосредоточенных элементов и планарным исполнением рамки на диэлектрической подложке.Achievable technical result is an increase in the efficiency of the loop antenna in the microwave range by the introduction of a capacitive element on one side of it, and on the opposite side of it, a matching balancing device and a resonant circuit. In this case, the loop antenna has dimensions commensurate with the wavelength in the microwave range and, as a result, high efficiency. The reduction in the overall dimensions of the antenna is achieved by using lumped elements and planar execution of the frame on a dielectric substrate.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 2 формулы полезной модели, характеризующей направленную рамочную антенну, в которой согласующее симметрирующее устройство выполнено в виде фазосдвигающей цепи на элементах с сосредоточенными параметрами, одно из плеч которого реализовано в виде соединения последовательной индуктивности и параллельной емкости, а второе в виде соединения последовательной емкости и параллельной индуктивности, обеспечивающих фазовый сдвиг +90° и -90° относительно входа антенны, который объединен со средней точкой индуктивного элемента резонансного контура.The set of features set forth in paragraph 2 of the utility model formula characterizing a directional loop antenna, in which a matching balancing device is made in the form of a phase-shifting circuit on elements with lumped parameters, one of the arms of which is implemented as a series inductance and a parallel capacitor, and the second as connection of series capacitance and parallel inductance, providing a phase shift of + 90 ° and -90 ° relative to the antenna input, which is combined with the midpoint oh the inductive element of the resonant circuit.

Полезная модель иллюстрируется чертежом.The utility model is illustrated in the drawing.

Рамочная антенна содержит рамку 1, выполненную в виде полосковой линии передачи на диэлектрической подложке 2, в которую введены с одной стороны емкостной элемент 3, формирующий равномерное распределение тока в рамке, а с противоположной ее стороны устройство синфазно-противофазного возбуждения антенны 4 для формирования заданного фазового распределения токов в антенне. Устройство синфазно-противофазного возбуждения антенны 4 выполнено в виде согласующего симметрирующего устройства 5, обеспечивающего согласование несимметричного входа устройства с симметричным входом антенны 6, и резонансный контур 7, образованный параллельным соединением индуктивного и емкостного элементов. Резонансный контур 7, в котором средняя точка индуктивного элемента объединена с входом антенны бис симметрирующим устройством 5, обеспечивает развязку синфазного и противофазного токов в антенне.The loop antenna contains a frame 1, made in the form of a strip transmission line on a dielectric substrate 2, into which a capacitive element 3 is introduced on one side, which forms a uniform current distribution in the frame, and on the opposite side of it, an in-phase antiphase excitation device of the antenna 4 to form a given phase current distribution in the antenna. The in-phase antiphase excitation device of the antenna 4 is made in the form of a matching balancing device 5, which ensures the matching of the asymmetric input of the device with the symmetric input of the antenna 6, and the resonant circuit 7 formed by the parallel connection of the inductive and capacitive elements. The resonant circuit 7, in which the midpoint of the inductive element is combined with the input of the antenna bis by a balancing device 5, provides isolation of in-phase and antiphase currents in the antenna.

Направленное излучение в рамочной антенне может быть получено при одновременном возбуждении синфазного (несимметричного) и противофазного (симметричного) типов волн в рамке. Сложение электромагнитных полей, излученных каждой модой, в дальней зоне позволяет сформировать диаграмму направленности (ДН) в виде кардиоиды. При этом необходимым условием формирования ДН в форме кардиоиды является равенство деления мощности и разность фаз 90° между токами симметричной и несимметричной мод. В предлагаемой антенне заданные амплитудно-фазовые соотношения между несимметричными и симметричными токами формируются с помощью устройства синфазно-противофазного возбуждения, выполненного в виде согласующего симметрирующего устройства и резонансного контура. Резонансный контур, образованный параллельным соединением индуктивного и емкостного элементов, обеспечивает развязку между токами двух типов волн. В общем случае для каждой моды значения входного импеданса рамки различны. Равное деление мощности и фазовый сдвиг между токами в рамке 90° осуществляется посредством согласующего симметрирующего устройства. Симметрирующее устройство также выполнено на элементах с сосредоточенными параметрами в виде фазосдвигающей цепи, обеспечивающей фазовый сдвиг +90° и -90° относительно входа антенны. При этом симметрирующее устройство позволяет трансформировать импеданс противофазной моды в произвольную величину, обеспечивая таким образом равное деление мощности.Directional radiation in a loop antenna can be obtained by simultaneously exciting in-phase (asymmetric) and antiphase (symmetric) types of waves in the frame. The addition of electromagnetic fields emitted by each mode in the far zone allows you to form a radiation pattern (MD) in the form of a cardioid. Moreover, a necessary condition for the formation of MDs in the form of a cardioid is the equality of power division and a phase difference of 90 ° between the currents of the symmetric and asymmetric modes. In the proposed antenna, the specified amplitude-phase relations between asymmetric and symmetric currents are formed using the in-phase antiphase excitation device, made in the form of a matching balancing device and a resonant circuit. The resonant circuit formed by the parallel connection of inductive and capacitive elements provides isolation between the currents of two types of waves. In the general case, for each mode, the values of the input impedance of the frame are different. Equal power division and phase shift between currents in a 90 ° frame is carried out by means of a matching balancing device. The balancing device is also made on elements with lumped parameters in the form of a phase-shifting circuit providing a phase shift of + 90 ° and -90 ° relative to the antenna input. In this case, the balancing device allows you to transform the impedance of the antiphase mode into an arbitrary value, thus ensuring equal power division.

Рамочная антенна, имеющая размеры много меньше длины волны, имеет малое сопротивление излучения (доли Ома) в диапазоне СВЧ, что значительно снижает ее КПД, а также делает невозможным согласование с входной линией. Сопротивление излучения рамочной антенны и, как следствие, ее КПД может быть увеличено в рамке, имеющей размеры соизмеримые с длиной волны. При размерах рамки соизмеримой с длиной волны антенна обладает сильно отличающимся распределением плотности тока. Равномерное распределение тока в проводниках планарной рамки, необходимое для формирования диаграммы направленности в форме кардиоиды при одновременном возбуждении двух мод, задано включением сосредоточенной емкости.A loop antenna having dimensions much smaller than the wavelength has a low radiation resistance (Ohm fraction) in the microwave range, which significantly reduces its efficiency, and also makes it impossible to match with the input line. The radiation resistance of the loop antenna and, as a consequence, its efficiency can be increased in a frame that is comparable in size to the wavelength. With a frame size commensurate with the wavelength, the antenna has a very different current density distribution. The uniform distribution of current in the planar frame conductors, necessary for forming a cardioid radiation pattern with the simultaneous excitation of two modes, is specified by the inclusion of a concentrated capacitance.

Таким образом, увеличение КПД предлагаемой рамочной антенны в диапазоне СВЧ по сравнению с прототипом происходит вследствие увеличения сопротивления излучения антенны. Предлагаемая антенна имеет размеры, соизмеримые с длиной волны. При этом заданное распределение тока обеспечивается включением сосредоточенной емкости. Уменьшение массогабаритных показателей антенны достигается использованием устройства синфазно-противофазного возбуждения, выполненного на сосредоточенных элементах, и планарным исполнением рамки на диэлектрической подложке.Thus, the increase in the efficiency of the proposed frame antenna in the microwave range compared to the prototype occurs due to an increase in the radiation resistance of the antenna. The proposed antenna has dimensions commensurate with the wavelength. In this case, a predetermined current distribution is provided by the inclusion of a concentrated capacitance. The reduction in the overall dimensions of the antenna is achieved by using the in-phase antiphase excitation device made on lumped elements and planar execution of the frame on a dielectric substrate.

Claims

1. A loop antenna containing a frame and an in-phase antiphase excitation device, characterized in that the frame is made in the form of a planar transmission line on a dielectric substrate into which a capacitive element is inserted on one side, and an in-phase antiphase excitation device on its opposite side, made in the form of a matching balancing device and a resonant circuit formed by parallel connection of inductive and capacitive elements, and the dimensions of the frame antenna are comparable with the wavelength.

2. The antenna according to claim 1, characterized in that the matching balancing device is made in the form of a phase-shifting circuit on elements with lumped parameters, one of the arms of which is implemented as a connection of a series inductance and a parallel capacitance, and the second - in the form of a connection of a series capacitance and a parallel inductance providing a phase shift of +90 and -90 relative to the input of the antenna, which is combined with the midpoint of the inductive element of the resonant circuit.