RU2209497C2

RU2209497C2 - Monopole antenna

Info

Publication number: RU2209497C2
Application number: RU2000108402A
Authority: RU
Inventors: Н.П. Тарасов; Е.Ф. Козяев
Original assignee: Марийский государственный технический университет
Priority date: 2000-04-04
Filing date: 2000-04-04
Publication date: 2003-07-27

Abstract

FIELD: antennas for communications and radio communications. SUBSTANCE: monopole antenna is excited by open or short-circuited strip line that may function at the same time as stripline antenna in the form of straight or bent strip, disk, or ring. Strip line is disposed on insulating plate. One or more monopoles are connected to central conductor of strip line; central and external conductors of coaxial line are connected to central and grounded conductors of strip line, respectively. EFFECT: enhanced reliability of matching and grounding; simplified design. 2 cl, 21 dwg

Description

Изобретение относится к антеннам и может быть использовано для связи и радиовещания. The invention relates to antennas and can be used for communication and broadcasting.

В настоящее время используется несимметричный вибратор в виде проводящего штыря над землей или металлическим экраном или в виде антенны "граундплейн" с возбуждением непосредственно коаксиальным кабелем [1]. Currently, an asymmetric vibrator is used in the form of a conductive pin above the ground or a metal screen or in the form of a “groundplein” antenna with excitation directly by a coaxial cable [1].

Однако входное сопротивление обычного несимметричного вибратора довольно низкое - 30-40 Ом. При питании с помощью стандартного коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом и особенно 75 Ом качество согласования оказывается недостаточным [1]. However, the input impedance of a conventional asymmetric vibrator is quite low - 30-40 Ohms. When powered using a standard coaxial cable with a wave impedance of 50 Ohms and especially 75 Ohms, the quality of matching is insufficient [1].

С другой стороны, необходимо специальное устройство для заземления антенны, что иногда трудно выполнимо [2]. On the other hand, you need a special device for grounding the antenna, which is sometimes difficult to do [2].

Предлагается для возбуждения несимметричных вибраторов использовать отрезки разомкнутых полосковых линий длиной приблизительно λ/2 или короткозамкнутых с одного конца линий λ/4 [3]. Точка возбуждения может располагаться в случае разомкнутого отрезка длиной λ/2 вблизи одного из концов полосковой линии. У короткозамкнутой полосковой линии точка присоединения электрического вибратора может располагаться между короткозамкнутым и разомкнутым концом линии, а в случае диска или кольца - в любом месте, в том числе в центре диска. Во всех случаях питание подводится с помощью коаксиального фидера. It is proposed to use asymmetric vibrators to use segments of open strip lines with a length of approximately λ / 2 or short-circuited from one end of the lines λ / 4 [3]. The excitation point can be located in the case of an open segment of length λ / 2 near one of the ends of the strip line. For a short-circuited strip line, the attachment point of the electric vibrator can be located between the short-circuited and open ends of the line, and in the case of a disk or ring, anywhere, including in the center of the disk. In all cases, power is supplied using a coaxial feeder.

Наиболее удобны и просты печатные полосковые линии, имеющие прямоугольную прямолинейную форму небольшой ширины [3]. Однако в качестве печатных линий и излучателей можно использовать линии другой формы, в том числе изогнутые в виде Г-образной, Т-образной, зонтичной конструкции, а также полосковые проводники кольцевой и дисковой формы, короткозамкнутые в какой-либо точке. The most convenient and simple printed strip lines having a rectangular rectilinear shape of small width [3]. However, as printing lines and emitters, it is possible to use lines of a different shape, including those curved in the form of a L-shaped, T-shaped, umbrella design, as well as strip conductors of a ring and disk form, short-circuited at some point.

Следовательно, в качестве прототипа выбирается несимметричный вибратор, запитываемый коаксиальным кабелем. Для улучшения его свойств - согласования, широкополосности и грозозащиты - предлагается для возбуждения несимметричного вибратора использовать полосковые линии резонансной длины, но небольшой ширины, которые сами без вибратора могут служить самостоятельными излучателями. Therefore, an unbalanced vibrator powered by a coaxial cable is selected as a prototype. To improve its properties - matching, broadband and lightning protection - it is proposed to excite asymmetric vibrators using strip lines of resonant length, but of small width, which themselves can serve as independent emitters without a vibrator.

Полосковая линия (печатная антенна) представляет диэлектрическую пластину, которая металлизирована с обеих сторон - лицевой и обратной. Короткое замыкание одного металлизированного слоя с металлизированным слоем на другой стороне подложки можно выполнить с помощью штырей, перемыкающих два слоя, или с помощью металлической ленты или листа, соединяющих по торцу два проводящих слоя на поверхности подложки. The strip line (printed antenna) represents a dielectric plate, which is metallized on both sides - front and back. A short circuit of one metallized layer with a metallized layer on the other side of the substrate can be accomplished using pins connecting two layers, or using a metal tape or sheet connecting two conductive layers on the end surface of the substrate.

Не было обнаружено решений со сходными признаками, поэтому предлагаемая антенна соответствует критерию "изобретательский уровень". No solutions were found with similar features, therefore, the proposed antenna meets the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 изображена антенна с разомкнутой полосковой линией при расположении электрического вибратора параллельно подложке. На фиг.2 изображена антенна с короткозамкнутой полосковой линией при расположении электрического вибратора перпендикулярно подложке и экрану, причем заземленный проводник соприкасается с экраном. На фиг.3 изображена антенна без экрана и имеет вид, сходный с антенной "граундплэйн" [1]. На фиг.4 изображена антенна с разомкнутой полосковой линией, у которой заземленный проводник заменяется печатным проводником удвоенной длины, одна половина находится под центральным проводником полосковой линии, а другая половина расположена по другую сторону от точки питания антенны. In FIG. 1 shows an antenna with an open strip line when the electric vibrator is parallel to the substrate. Figure 2 shows the antenna with a short-circuited strip line with the location of the electric vibrator perpendicular to the substrate and the screen, and the grounded conductor in contact with the screen. Figure 3 shows the antenna without a screen and has a view similar to the antenna "groundplane" [1]. Figure 4 shows an antenna with an open strip line, in which the grounded conductor is replaced by a printed conductor of double length, one half is located under the central conductor of the strip line, and the other half is located on the other side of the antenna feed point.

На фиг.5 изображен общий вид антенны, а на фиг.6 изображена эта же антенна в проекциях. Антенна возбуждается полосковой линией в виде буквы "Г", причем электрический вибратор может присоединяться к центральному проводнику, показанными штрихами, как вблизи точки возбуждения, так и вблизи разомкнутого конца. Figure 5 shows a General view of the antenna, and figure 6 shows the same antenna in projections. The antenna is excited by a strip line in the form of the letter "G", and the electric vibrator can be attached to the central conductor, shown by strokes, both near the point of excitation and near the open end.

На фиг.7 печатная антенна в виде буквы "Т" тоже возбуждается Г-образной полосковой линией. На фиг.3 используется полная зонтичная антенна. На фиг.9 изображена неполная зонтичная антенна (электрический вибратор не показан). На фигурах 5-9 экран не показан. На фиг.10 изображена в аксонометрии несимметричная антенна, в которой электрический вибратор возбуждается печатной дисковой антенной; на фиг.11 эта антенна представлена в проекциях. In Fig. 7, a printed antenna in the form of the letter "T" is also excited by an L-shaped strip line. 3, a full umbrella antenna is used. Figure 9 shows an incomplete umbrella antenna (an electric vibrator is not shown). In figures 5-9, the screen is not shown. Figure 10 shows a perspective view of an asymmetric antenna in which an electric vibrator is excited by a printed disk antenna; 11, this antenna is shown in projections.

На фиг. 1 полосковая разомкнутая линия имеет примерно одинаковой небольшой ширины (меньше 0,05λ) один проводник - заземленный проводник 1 и другой проводник - центральный проводник 2, которые расположены на подложке 3. К центральному проводнику 2 присоединяется электрический вибратор 4. Антенна в нижней части заземленным проводником 1 соединяется с экраном 6. Она может располагаться также на некоторой высоте над экраном. К проводникам полосковой линии присоединяется кабель или радиочастотный соединитель 5. Корпус соединителя присоединяется к заземленному проводнику, его внутренний проводник - к центральному проводнику полосковой линии. In FIG. 1 strip open line has approximately the same small width (less than 0.05λ), one conductor is a grounded conductor 1 and another conductor is a central conductor 2, which are located on the substrate 3. An electric vibrator 4 is connected to the central conductor 2. The antenna at the bottom of the grounded conductor 1 is connected to the screen 6. It can also be located at a certain height above the screen. A cable or radio frequency connector 5 is connected to the conductors of the strip line. The connector body is connected to a grounded conductor, its inner conductor to the center conductor of the strip line.

На фиг. 2 изображена несимметричная антенна, в которой центральный проводник 2 полосковой линии короткозамкнут с заземленным проводником 1 с помощью металлических штырей 7. Питание к антенне подводится с помощью соединителя 5. Электрический вибратор 4, присоединенный у разомкнутого конца полосковой линии, расположен перпендикулярно самой полосковой линии и экрану. Антенна может непосредственно соединяться своим заземленным проводником с металлическим экраном или располагаться на некоторой высоте над экраном, как это показано на фиг.4. In FIG. 2 shows an asymmetric antenna in which the center conductor 2 of the strip line is short-circuited with the grounded conductor 1 using metal pins 7. Power is supplied to the antenna via connector 5. The electric vibrator 4, attached at the open end of the strip line, is perpendicular to the strip line and the screen . The antenna can be directly connected by its grounded conductor to a metal screen or located at a certain height above the screen, as shown in Fig.4.

На фиг.3 изображена антенна типа "граундплэйн", где к заземленному проводнику 1 полосковой линии присоединены три четвертьволновых проводника 8 и 9 (третий не показан), причем экран является лишним. Эти четвертьволновые отрезки могут быть не только параллельны подложке, но и наклонены под углом. Электрический вибратор 4 возбуждается с помощью соединителя 5. Figure 3 shows the antenna of the type "groundplain", where three quarter-wave conductors 8 and 9 are connected to the grounded conductor 1 of the strip line (the third is not shown), and the screen is redundant. These quarter-wave segments can be not only parallel to the substrate, but also tilted at an angle. The electric vibrator 4 is excited using the connector 5.

На фиг.4 изображен общий вид несимметричной антенны с разомкнутой полосковой линией, у которой используется заземленный проводник удвоенной длины. Дополнительный отрезок 10 служит другой половиной заземленного проводника 1 полосковой линии, расположенной на подложке 3. К центральному проводнику 2 присоединяется электрический вибратор 4. Антенна возбуждается соединителем 5 и располагается на некоторой высоте над экраном 6. Figure 4 shows a General view of an asymmetric antenna with an open strip line, which uses a grounded conductor of double length. An additional segment 10 serves as the other half of the grounded conductor 1 of the strip line located on the substrate 3. An electric vibrator 4 is connected to the central conductor 2. The antenna is excited by the connector 5 and is located at a certain height above the screen 6.

Антенна имеет две взаимно перпендикулярные поляризации излучения, источником которого является электрический вибратор 4 и заземленный проводник 1 полосковой линии. The antenna has two mutually perpendicular polarizations of the radiation, the source of which is an electric vibrator 4 and a grounded conductor 1 of the strip line.

На фиг.5 Г-образная полосковая линия с центральным проводником 2, имеющая заземленный проводник 1 удвоенной длины, размещается на нижней половине диэлектрической пластины 3. Радиочастотный соединитель 5 служит возбудителем электрического вибратора 4, который присоединяется вблизи точки возбуждения или у разомкнутого конца полосковой линии. На фиг.6 эта же антенна изображена в проекциях. 5, a L-shaped strip line with a central conductor 2 having a grounded conductor 1 of double length is placed on the lower half of the dielectric plate 3. The radio frequency connector 5 serves as the exciter of the electric vibrator 4, which is connected near the point of excitation or at the open end of the strip line. 6, the same antenna is shown in projections.

На фиг.7 Г-образный центральный проводник 2 вместе с заземленным проводником 1 образуют полосковую линию, которая также служит для возбуждения двух взаимно перпендикулярных поляризаций от электрического вибратора и от горизонтальной части заземленного проводника 1. Электрический вибратор 4 присоединяется вблизи разомкнутых концов Г-образного проводника 2. In Fig. 7, the L-shaped central conductor 2 together with the grounded conductor 1 form a strip line, which also serves to excite two mutually perpendicular polarizations from the electric vibrator and from the horizontal part of the grounded conductor 1. The electric vibrator 4 is connected near the open ends of the L-shaped conductor 2.

На фиг. 8 расположенная на диэлектрической пластине 3 полосковая линия имеет угол меньше 90^o. Под заземленным зонтичным проводником располагается центральный проводник 2 аналогичной формы, ширина которого может быть равной, дольше или меньше ширины заземленного проводника 1. Иначе говоря, полосковая линия имеет две загнутые ветви длиной l₁. На другой верхней половине располагается симметрично относительно точки возбуждения второе плечо заземленного зонтичного проводника. Возбуждается электрический вибратор 4 соединителем 5 аналогично. Электрический вибратор можно присоединять вблизи точки возбуждения и на разомкнутых концах полосковой линии.In FIG. 8, the strip line located on the dielectric plate 3 has an angle of less than 90 ^° . Under the grounded umbrella conductor there is a central conductor 2 of a similar shape, the width of which can be equal to, longer or less than the width of the grounded conductor 1. In other words, the strip line has two bent branches of length l ₁ . On the other upper half, the second arm of the grounded umbrella conductor is located symmetrically with respect to the excitation point. The electric vibrator 4 is excited by the connector 5 similarly. An electric vibrator can be connected near the point of excitation and at the open ends of the strip line.

Вместо полной зонтичной конструкции можно использовать только половину - левую или правую. Она изображена на фиг.9 без электрического вибратора. У этой антенны можно уменьшить длину печатных проводников почти в 2 раза. Instead of a full umbrella structure, only half can be used - left or right. She is depicted in Fig.9 without an electric vibrator. With this antenna, you can reduce the length of the printed conductors by almost 2 times.

Следует указать, что без электрического вибратора-проводника зонтичная антенна, как и рассмотренные выше, может служить самостоятельным излучателем. It should be noted that without an electric vibrator conductor, an umbrella antenna, like the ones discussed above, can serve as an independent emitter.

На фиг. 10 и 11 печатная полосковая линия имеет форму диска 2. Она возбуждает электрический вибратор 4, присоединенный к диску в любой точке. Можно использовать одновременно несколько электрических вибраторов. Диск соединяется в точке 7 с экраном 1, не обязательно совпадающей с центром диска. На фиг.10 и 11 точка возбуждения находится на краю диска. Возбуждение осуществляется соединителем 5, центральный проводник которого проходит через экран 1 и плату 3. In FIG. 10 and 11, the printed strip line is in the form of a disk 2. It excites an electric vibrator 4 connected to the disk at any point. You can use multiple electric vibrators at the same time. The disk is connected at point 7 with the screen 1, which does not necessarily coincide with the center of the disk. 10 and 11, the excitation point is on the edge of the disk. Excitation is carried out by connector 5, the central conductor of which passes through the screen 1 and the board 3.

Несимметричная антенна на фиг.2 с короткозамкнутой на конце полосковой линией имела следующие размеры: длина центрального проводника полосковой линии L₁=150 мм, длина электрического вибратора L₂=300 мм, ширина центрального проводника полосковой линии W=20 мм, ширина заземленного проводника 30 мм. Стеклотекстолит толщиной 2.5 мм с относительной диэлектрической проницаемостью ε= 4.0. Антенна располагалась над экраном. При КСВ=2 при питании коаксиальным кабелем в 75 Ом полоса частот 210-250 МГц.The asymmetric antenna in Fig. 2 with a shorted strip line at the end had the following dimensions: the length of the central conductor of the strip line L ₁ = 150 mm, the length of the electric vibrator L ₂ = 300 mm, the width of the central conductor of the strip line W = 20 mm, the width of the grounded conductor 30 mm 2.5 mm thick fiberglass with a relative dielectric constant ε = 4.0. The antenna was located above the screen. With SWR = 2, when powered by a 75 ohm coaxial cable, the frequency band is 210-250 MHz.

Антенна типа "граундплэйн" изображена на фиг.3. Длина разомкнутой полосковой линии L₁=160 мм, длина электрического вибратора 150 мм, длина штырей, присоединенных к заземленному проводнику, 150 мм. Ширина центрального проводника полосковой линии W=18 мм, заземленного проводника W₁=20 мм, диаметр вибратора d= 2 мм. Стеклотекстолит толщиной 2 мм. Диапазон частот при КСВ=3 приблизительно 460-560 МГц. Уровень кросс-поляризации по мощности меньше 0.01. Антенна, изображенная на фиг.6, при размерах заземленного проводника полосковой линии l₁=150 мм и l₂=75 мм и центрального проводника полосковой линии l₃=85 мм и l₄=70 мм и длине электрического вибратора 150 мм, имела на уровне КСВ= 3, при расположении на стеклотекстолите толщиной 3мм с диэлектрической проницаемостью ε= 4 на высоте над экраном 80 мм, полосу частот 520-610 МГц. Диаметр электрического вибратора 2 мм, ширина центрального и заземленного проводников полосковой линии соответственно 10 мм и 15 мм.The antenna of the "groundplain" type is shown in Fig.3. The length of the open strip line L ₁ = 160 mm, the length of the electric vibrator 150 mm, the length of the pins attached to a grounded conductor, 150 mm. The width of the central conductor of the strip line W = 18 mm, the grounded conductor W ₁ = 20 mm, the diameter of the vibrator d = 2 mm. Fiberglass 2 mm thick. The frequency range at SWR = 3 is approximately 460-560 MHz. The power cross-polarization level is less than 0.01. The antenna shown in Fig.6, with the dimensions of the grounded strip conductor l ₁ = 150 mm and l ₂ = 75 mm and the center conductor of the strip line l ₃ = 85 mm and l ₄ = 70 mm and the length of the electric vibrator 150 mm, had level SWR = 3, when located on fiberglass with a thickness of 3 mm with a dielectric constant ε = 4 at a height above the screen of 80 mm, a frequency band of 520-610 MHz. The diameter of the electric vibrator is 2 mm, the width of the central and grounded conductors of the strip line is 10 mm and 15 mm, respectively.

Антенна на фиг.8, расположенная на стеклотекстолите толщиной 2 мм, имела следующие размеры: угол α= 45^o, длины заземленного проводника полосковой линии l₁= 80 мм и l₂=80 мм, длины центрального проводника полосковой линии l₃= 90 мм и l₄=80 мм, ширина заземленных проводников полосковой линии W₁=5 мм, ширина центральных проводников 18 мм. Высота над экраном 100 мм. Электрический вибратор, расположенный вертикально над экраном, имел длину 150 мм и диаметр 2 мм. Полоса частот на уровне КСВ=3 составляла 440-590 МГц.The antenna of Fig. 8, located on fiberglass with a thickness of 2 mm, had the following dimensions: angle α = 45 ^° , the lengths of the grounded strip line conductor l ₁ = 80 mm and l ₂ = 80 mm, the length of the central strip conductor l ₃ = 90 mm and l ₄ = 80 mm, the width of the grounded conductors of the strip line W ₁ = 5 mm, the width of the Central conductors 18 mm Height above the screen 100 mm. An electric vibrator located vertically above the screen had a length of 150 mm and a diameter of 2 mm. The frequency band at the level of SWR = 3 was 440-590 MHz.

Хорошие характеристики имела несимметричная антенна, изображенная на фиг. 10 и 11, в которой в качестве полосковой линии служит дисковая антенна. Диск на стеклотекстолите толщиной 3 мм имел диаметр 105 мм. Электрический вибратор длиной 450 мм и диаметром 2 мм присоединен к диску в центре. Питание осуществляется на расстоянии 20 мм от центра, короткое замыкание - у края диска. Рабочий диапазон 160-185 МГц на уровне КСВ=3. На резонансной частоте КСВ=1.4 при питании 75-омным кабелем. Антенна расположена над большим металлическим экраном. Диаграмма направленности - обычная для несимметричного вибратора над экраном. Вместо одного можно использовать несколько электрических вибраторов, что приведет к некоторому расширению рабочей полосы частот. The unbalanced antenna shown in FIG. 10 and 11, in which the disk antenna serves as a strip line. A 3 mm thick fiberglass disk had a diameter of 105 mm. An electric vibrator with a length of 450 mm and a diameter of 2 mm is connected to the disk in the center. Food is carried out at a distance of 20 mm from the center, a short circuit at the edge of the disk. The operating range is 160-185 MHz at the level of SWR = 3. At the resonant frequency, the SWR = 1.4 when powered by a 75-ohm cable. The antenna is located above a large metal screen. The radiation pattern is common for an asymmetric vibrator above the screen. Instead of one, you can use several electric vibrators, which will lead to some expansion of the working frequency band.

Таким образом, предлагаемое изобретение отличается от известных способом возбуждения несимметричных электрических вибраторов - с помощью полосовых и микрополосовых линий, для которых электрический вибратор является собственно согласованной нагрузкой. Thus, the present invention differs from the known method of excitation of asymmetric electric vibrators - using strip and micro-strip lines, for which the electric vibrator is actually a consistent load.

Источники информации
1. Ратхаммель К. Антенны. Пер. с нем. - М.-Л.: Энергия, 1966. - 272 с.Sources of information
1. Rathammel K. Antennas. Per. with him. - M.-L.: Energy, 1966 .-- 272 p.

2. Шпиндлер Э. Практические конструкции антенн: Пер. с нем. - М: Мир, 1989. - 448 с. 2. Spindler E. Practical antenna design: Trans. with him. - M: Mir, 1989 .-- 448 p.

3. Подторжнов О. М., Воробьева З.М. Печатные полосковые антенны. - М.: 1982. - 54 с. - Обзоры по электронной технике. Сер. Электроника СВЧ // ЦНИИ Электроники. - Вып. 8/202/. 3. Podtorzhnov O. M., Vorobyeva Z.M. Printed Strip Antennas. - M .: 1982. - 54 p. - Reviews on electronic technology. Ser. Microwave Electronics // Central Research Institute of Electronics. - Vol. 8/202 /.

4. Cyril M. Kaloi. Патенты USA 4151531, 4152532, 1155089 от 31.10.1977, класс 343-700 MS. 4. Cyril M. Kaloi. USA patents 4151531, 4152532, 1155089 from 10/31/1977, class 343-700 MS.

Claims

1. An asymmetric antenna containing an electric vibrator and a short-circuited or open strip line of a rectilinear or curved shape with a central and grounded conductors with a width much smaller than the wavelength, or a short-circuited strip line in the form of a disk, a ring in the presence or absence of a metal screen located on a dielectric plate characterized in that the electric vibrator is connected to the center conductor of the strip line, to which is also connected for excitation the center conductor of the coaxial cable, and the outer conductor of the coaxial cable to the grounded strip line conductor.

2. The asymmetric antenna according to claim 1, characterized in that not one, but several electric vibrators are connected to the central conductor of the strip line at different points.