RU2285984C1 - Director antenna - Google Patents
Director antenna Download PDFInfo
- Publication number
- RU2285984C1 RU2285984C1 RU2005113094/09A RU2005113094A RU2285984C1 RU 2285984 C1 RU2285984 C1 RU 2285984C1 RU 2005113094/09 A RU2005113094/09 A RU 2005113094/09A RU 2005113094 A RU2005113094 A RU 2005113094A RU 2285984 C1 RU2285984 C1 RU 2285984C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- director
- pathogen
- antenna
- radiating
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в системах радиосвязи, радиолокации и телекоммуникаций ультракоротковолнового (УКВ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов.The present invention relates to the field of antenna technology and can be used in radio communication systems, radar and telecommunications ultrashort-wave (VHF) and microwave (microwave) ranges.
Актуальность разработки таких антенн обусловлена все возрастающими требованиями к директорным антенным устройствам упомянутых радиотехнических систем в отношении их широкополосности, направленности, массогабаритных показателей и технологичности. Для обеспечения предъявляемых ныне в УКВ и СВЧ диапазонах волн требований необходимо реализовать компактные печатные директорные антенны с относительной полосой рабочих частот не менее 10% по уровню входного коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) питающего коаксиального кабеля Kст.U не более 1.5 (Kст.U≤1.5) или по уровню двукратного уменьшения коэффициента направленного действия (КНД).The relevance of the development of such antennas is due to the increasing requirements for director antenna devices of the aforementioned radio systems with regard to their broadband, directivity, overall dimensions and manufacturability. To ensure the current requirements in the VHF and microwave wavelength ranges, it is necessary to implement compact printed director antennas with a relative operating frequency band of at least 10% in terms of the input coefficient of the standing voltage wave (VSWR) of the supply coaxial cable K st.U no more than 1.5 (K st. U ≤1.5) or by the level of a twofold decrease in the coefficient of directional action (KND).
Известны классические директорные антенны, описанные в работе: Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. "Антенны УКВ", М.: Связь, 1977, часть 2, глава 8. Эти антенны содержат активный вибратор (возбудитель), один рефлектор и несколько директоров. Рефлектор и ближайший к возбудителю директор при правильной их настройке усиливают поток электромагнитной энергии в направлении директора. Усиление потока энергии в указанном направлении создает благоприятные условия для возбуждения второго директора при надлежащей его настройке. Второй директор создает дополнительное усиление потока энергии в направлении директоров и тем самым обеспечивает благоприятные условия для возбуждения последующих директоров. При надлежащем выборе параметров директорией антенны большая часть энергии генератора, питающего возбудитель коаксиальным кабелем, излучается в пространство в направлении директоров. Анализ, выполненный с использованием метода наведенных электродвижущих сил (ЭДС), показывает, что для обеспечения эффективного излучения необходимо, чтобы рефлектор имел индуктивную реактивную составляющую полного сопротивления, а директоры - емкостную. В результате длина рефлектора всегда превышает длину директоров, а длина возбудителя находится между упомянутыми длинами. Конкретные величины расстояний между элементами директорией антенны определяются в результате решения соответствующей системы уравнений, формируемой согласно методу наведенных ЭДС при условии, что как рефлектор, так и все директоры являются пассивными, а активным (т.е. запитанным от генератора) является только возбудитель. В результате после установки рефлектора, возбудителя и директоров на несущую металлическую стрелу с необходимыми расстояниями между ними антенна излучает максимум мощности в направлении директоров, которое является главным (основным) направлением излучения антенны, при хорошем согласовании питающего коаксиального кабеля с генератором. Противоположное направление (в сторону рефлектора) характеризуется незначительным уровнем излучения, являющегося нежелательным (паразитным) и характеризующим помехозащищенность директорией антенны при ее работе на прием.The classic director antennas are described in the work: Aizenberg G.Z., Yampolsky V.G., Tereshin O.N. "VHF Antennas", M .: Communication, 1977, part 2, chapter 8. These antennas contain an active vibrator (pathogen), one reflector and several directors. The reflector and the director closest to the pathogen, when properly configured, increase the flow of electromagnetic energy in the direction of the director. The amplification of the energy flow in this direction creates favorable conditions for the excitation of the second director with proper adjustment. The second director creates an additional increase in the energy flow towards the directors and thereby provides favorable conditions for the initiation of subsequent directors. With proper selection of the parameters by the antenna directory, most of the energy of the generator supplying the exciter with a coaxial cable is radiated into space in the direction of the directors. An analysis performed using the method of induced electromotive forces (EMF) shows that to ensure effective radiation, the reflector must have an inductive reactive component of the impedance, and the directors have a capacitive component. As a result, the length of the reflector always exceeds the length of the directors, and the length of the pathogen is between the mentioned lengths. The specific values of the distances between the elements of the antenna directory are determined by solving the corresponding system of equations generated according to the induced EMF method, provided that both the reflector and all directors are passive, and only the pathogen is active (i.e., powered from the generator). As a result, after installing the reflector, pathogen and directors on a supporting metal arrow with the necessary distances between them, the antenna emits a maximum of power in the direction of the directors, which is the main (main) direction of the antenna radiation, with good coordination of the supply coaxial cable with the generator. The opposite direction (towards the reflector) is characterized by an insignificant level of radiation, which is undesirable (spurious) and characterizes the noise immunity of the antenna directory when it is being received.
Однако при изменении длины волны изменяются полные комплексные сопротивления возбудителя, рефлектора и директоров, вследствие чего в последних изменяются амплитуды и фазы наведенных токов, что в итоге, после пересчета их к возбудителю, нарушает согласование в целом директорией антенны с питающим коаксиальным кабелем. Как отмечается в работе: Кочержевский Г.Н. "Антенно-фидерные устройства", М.: Связь, 1972, стр.242, классическая директорная антенна может использоваться в полосе частот примерно (5...10)% от основной (номинальной частоты), и ее широкополосность уменьшается с увеличением числа директоров (длины директорией антенны). Кроме того, в качестве активного вибратора (возбудителя) такой антенны обычно применяется петлевой вибратор с входным сопротивлением на номинальной частоте порядка 290 Ом. Питание такого вибратора осуществляется по весьма громоздкой схеме трансформации напряжения полуволновым отрезком передающей линии (кабеля) с относительной полосой рабочих частот всей схемы не более (5...7)%.However, when the wavelength changes, the total complex resistances of the pathogen, reflector and directors change, as a result of which the amplitudes and phases of the induced currents change, which, after recalculating them to the pathogen, violates the coordination of the antenna directory with the supply coaxial cable as a whole. As noted in the work: Kocherzhevsky G.N. "Antenna-feeder devices", Moscow: Svyaz, 1972, p.242, a classic director antenna can be used in the frequency band of about (5 ... 10)% of the main (nominal frequency), and its broadband decreases with an increase in the number of directors (the length of the antenna directory). In addition, as an active vibrator (pathogen) of such an antenna, a loop vibrator with an input resistance at a nominal frequency of about 290 Ohms is usually used. The power of such a vibrator is carried out according to a very cumbersome scheme of voltage transformation with a half-wave segment of the transmission line (cable) with a relative operating frequency band of the whole circuit of no more than (5 ... 7)%.
Таким образом, описанные в работе Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.А. "Антенны УКВ", часть 2, глава 8, классические директорные антенны характеризуются относительной полосой рабочих частот не более (5...7)%, что не удовлетворяет современным требованиям к директорным антеннам по широкополосности. К тому же возбудителями этих антенн являются петлевые вибраторы, которые весьма громоздки и неудобны для возбуждения в случае планарного исполнения директорией антенны по технологии полосковых печатных плат на двухсторонне фольгированных органических диэлектриках с относительной диэлектрической проницаемостью εr≈2...4.Thus, described in the work of Eisenberg G.Z., Yampolsky V.G., Tereshin O.A. "VHF Antennas", part 2, chapter 8, classic director antennas are characterized by a relative band of operating frequencies of no more than (5 ... 7)%, which does not meet modern requirements for director antennas for broadband. In addition, the causative agents of these antennas are loop vibrators, which are very bulky and inconvenient for excitation in the case of planar execution by the directory of the antenna using the technology of strip printed circuit boards on two-sided foil organic dielectrics with relative permittivity ε r ≈ 2 ... 4.
Известна также трехэлементная директорная антенна, описанная в АС СССР №1124394, Н 01 Q 19/30, 1984 год, содержащая пассивный рефлектор, активный петлевой вибратор и пассивный директор, которые выполнены из цилиндрических проводников, расположенных параллельно друг другу в одной плоскости и прикрепленных в своих средних точках к металлическому несущему стержню. В этой антенне для повышения коэффициента направленного действия размеры и взаимное расположение рефлектора, петлевого вибратора и директора выбираются в интервалах длин, указанных в отличительной части формулы упомянутого изобретения, а именно: длина пассивного рефлектора (0.482-0.485)λ, длина активного петлевого вибратора (0.492-0.495)λ, длина пассивного директора (0.442-0.445)λ, расстояние между пассивным рефлектором и активным петлевым вибратором (0.149-0.150)λ, расстояние между активным петлевым вибратором и пассивным директором (0.245-0.246)λ, где λ - рабочая длина волны. В результате описанная директорная антенна характеризуется величиной КНД порядка 10 дБ. Однако по сути дела рассмотренная конструкция антенны является одним из вариантов классических многоэлементных директорных антенн, описанных в упоминавшейся первой работе Айзенберга Г.З., Ямпольского В.Г., Терешина О.А. "Антенны УКВ", часть 2, глава 8, и ей присущи все ограничения, свойственные таким антеннам.Also known is a three-element director antenna described in USSR AS No. 1124394, H 01 Q 19/30, 1984, containing a passive reflector, an active loop vibrator and a passive director, which are made of cylindrical conductors parallel to each other in the same plane and attached to their midpoints to the metal supporting rod. In this antenna, to increase the directional coefficient, the dimensions and relative position of the reflector, loop vibrator and director are selected in the length intervals indicated in the characterizing part of the claims of the mentioned invention, namely: the length of the passive reflector (0.482-0.485) λ, the length of the active loop vibrator (0.492 -0.495) λ, length of the passive director (0.442-0.445) λ, distance between the passive reflector and the active loop vibrator (0.149-0.150) λ, distance between the active loop vibrator and the passive director (0.245-0.246) λ, where λ is the working I wavelength. As a result, the described director antenna is characterized by an efficiency factor of about 10 dB. However, in fact, the considered antenna design is one of the versions of the classic multi-element director antennas described in the aforementioned first work of G. Eisenberg, V. G. Yampolsky, and O. A. Tereshin “VHF Antennas”, part 2, chapter 8, and it has all the limitations inherent in such antennas.
Таким образом, описанная в АС СССР №1124394 директорная антенна, характеризующаяся относительной полосой рабочих частот не более (5...7)%, не сможет найти применения в более широкополосных радиотехнических системах, а при использовании тонкопленочной технологии или технологии печатных плат такая конструкция труднореализуема.Thus, the director antenna described in the USSR AS No. 1124394, characterized by a relative operating frequency band of not more than (5 ... 7)%, cannot be used in wider radio-frequency systems, and when using thin-film technology or printed circuit board technology, such a design is difficult to implement .
Известна также директорная антенна, описанная в АС СССР №1241326, H 01 Q 19/30, 1986 год, содержащая активный петлевой вибратор, директоры, установленные на стреле антенны, и рефлектор, состоящий из трех параллельных элементов, один из которых установлен на стреле, а два других расположены симметрично относительно стрелы антенны и плоскости, перпендикулярной стреле. В этой антенне для увеличения помехозащищенности в рабочей полосе частот соответствующие продольные размеры элементов антенны выбираются из интервалов длин, указанных в отличительной части формулы упомянутого изобретения, а именно: длина каждого из двух элементов одинаковой длины равна lk=0.5λ1, где λ1 - длина волны, соответствующей частоте f1,Also known is the director antenna described in USSR AS No. 1241326, H 01 Q 19/30, 1986, containing an active loop vibrator, directors mounted on the antenna boom, and a reflector consisting of three parallel elements, one of which is mounted on the arrow, and the other two are located symmetrically with respect to the antenna boom and the plane perpendicular to the arrow. In this antenna, to increase the noise immunity in the working frequency band, the corresponding longitudinal dimensions of the antenna elements are selected from the length intervals indicated in the characterizing part of the claims of the aforementioned invention, namely: the length of each of two elements of the same length is l k = 0.5λ 1 , where λ 1 - the wavelength corresponding to the frequency f 1 ,
а длина элемента, установленного на стреле антенны, равна lg=0.5λ2, где λ2 - длина волны, соответствующей частоте f2,and the length of the element mounted on the antenna boom is l g = 0.5λ 2 , where λ 2 is the wavelength corresponding to the frequency f 2 ,
Δf - ширина рабочего диапазона частот, fн - нижняя частота рабочего диапазона частот, fср - средняя частота рабочего диапазона частот. При этом уровень "заднего" излучения (а следовательно, и помехозащищенность) директорией антенны уменьшается (увеличивается) за счет того, что более короткие элементы рефлектора эффективно работают на верхней частоте рабочего диапазона, а более длинный элемент рефлектора - в нижней части рабочего диапазона частот. Однако и эта конструкция антенны является одним из вариантов многоэлементных классических директорных антенн, описанных в упомянутой первой работе "Антенны УКВ".Δf is the width of the working frequency range, f n is the lower frequency of the working frequency range, f cf is the average frequency of the working frequency range. At the same time, the level of "back" radiation (and therefore noise immunity) by the antenna directory decreases (increases) due to the fact that shorter reflector elements efficiently operate at the upper frequency of the operating range, and a longer reflector element - at the bottom of the operating frequency range. However, this antenna design is one of the variants of the multi-element classic director antennas described in the first work of the "VHF Antennas".
Таким образом, описанная в АС СССР №1241326 директорная антенна характеризуется относительной полосой рабочих частот порядка (5...7)% и вряд ли найдет применение в широкополосных радиотехнических системах. К тому же и эта антенна не может быть реализована в планарном исполнении по технологии гибридных интегральных схем или полосковых печатных плат на плоской диэлектрической заготовке, одна из поверхностей которой должна быть полностью или частично облицована фольгой, надежно соединенной электрически с корпусом прибора (объекта установки) по всей поверхности прилегания фольги.Thus, the director antenna described in the USSR AS No. 1241326 is characterized by a relative operating frequency band of the order of (5 ... 7)% and is unlikely to find application in broadband radio systems. In addition, this antenna cannot be realized in planar design using the technology of hybrid integrated circuits or strip printed circuit boards on a flat dielectric blank, one of the surfaces of which must be fully or partially lined with foil, which is securely connected electrically to the body of the device (installation object) by the entire surface of the contact foil.
В этом отношении от всех вышеупомянутых антенн выгодно отличается директорная антенна, описанная в патенте США №6307524, U.S. C1. 343-795, H 01 Q 19/30, 2002 год, которая в оригинале названа "Яги-антенна" по фамилии одного из двух авторов (а именно: S.Uda, H.Yagi), исследовавших этот тип антенн в 20-х годах прошлого столетия. [В англоязычной литературе используются и другие названия антенн такого типа: "антенна Уда-Яги", или "антенна Яги-Уда", или "квази-Яги антенна", см., например, работу: Sazonow D.M. "Microwave circuits and antennas". - M.: Mir, 1990, page 362, которая является переводом на английский язык известной отечественной работы: Сазонов Д.M. "Антенны и устройства СВЧ". - M.: Высшая школа, 1988].In this regard, the director antenna described in US Pat. No. 6,307,524, U.S. compares favorably with all of the aforementioned antennas. C1. 343-795, H 01 Q 19/30, 2002, which in the original was named "Yagi-antenna" by the name of one of two authors (namely: S. Uda, H. Yagi) who investigated this type of antenna in the 20s years of the last century. [Other names of antennas of this type are used in the English literature: "Uda-Yagi antenna", or "Yagi-Uda antenna", or "quasi-Yagi antenna", see, for example, work: Sazonow D.M. "Microwave circuits and antennas". - M .: Mir, 1990, page 362, which is a translation into English of a well-known domestic work: Sazonov D.M. "Antennas and microwave devices." - M .: Higher school, 1988].
Эта антенна содержит диэлектрическую подложку, имеющую ближний и дальний концы, на одной из сторон которой сформированы печатные J-образный возбудитель (управляющий элемент), а также один или несколько директоров в позициях, расположенных между дальним концом подложки и J-образным возбудителем. Печатный рефлектор (отражающий элемент) сформирован на другой стороне подложки в позиции, расположенной между ближним концом подложки и J-образным возбудителем. Антенна содержит также микрополосковую линию передачи, сформированную на той же стороне подложки, что и возбудитель, в позиции над рефлектором. Один конец этой линии соединен с J-образным возбудителем, а другой - с центральной жилой коаксиального кабеля, оплетка (наружный проводник) которого соединена с рефлектором. В результате подбора характеристических импедансов возбудителя, коаксиального кабеля и микрополосковой линии при условии, что геометрические размеры печатных директоров и J-образного возбудителя рассчитываются в результате решения соответствующей электродинамической задачи, описанная директорная антенна (Яги-антенна) формирует максимальное излучение в направлении директоров. При этом входной КСВН коаксиального кабеля, питающего антенну, остается меньше 1.5 (Кст.U≤1.5) в относительной полосе частот, составляющей, по оценкам заявителя, 3% для числа директоров, равного трем. Оценка проводилась с использованием специализированного пакета прикладных программ электродинамического моделирования параметров антенн и микроволновых устройств "Microwave Office".This antenna contains a dielectric substrate having near and far ends, on one side of which a printed J-shaped exciter (control element) is formed, as well as one or more directors in positions located between the far end of the substrate and the J-shaped exciter. A printed reflector (reflective element) is formed on the other side of the substrate at a position located between the proximal end of the substrate and the J-shaped exciter. The antenna also contains a microstrip transmission line formed on the same side of the substrate as the pathogen in a position above the reflector. One end of this line is connected to a J-shaped exciter, and the other to the central core of the coaxial cable, the braid (outer conductor) of which is connected to the reflector. As a result of selecting the characteristic impedances of the pathogen, coaxial cable and microstrip line, provided that the geometric dimensions of the printed directors and the J-shaped exciter are calculated as a result of solving the corresponding electrodynamic problem, the described director antenna (Yagi antenna) generates maximum radiation in the direction of the directors. At the same time, the input VSWR of the coaxial cable supplying the antenna remains less than 1.5 (K st.U ≤1.5) in the relative frequency band, which, according to the applicant, is 3% for the number of directors equal to three. The assessment was carried out using a specialized software package for electrodynamic modeling of the parameters of antennas and microwave devices "Microwave Office".
Таким образом, описанная в патенте США №6307524 директорная антенна (она же: "Яги-антенна"), хотя и характеризуется весьма малыми размерами и планарной компактной структурой, но имеет относительную полосу частот не более 5% (при одном директоре только !), что не удовлетворяет современным требованиям к директорным антеннам по широкополосности согласования.Thus, the director antenna described in US patent No. 6307524 (aka “Yagi antenna”), although characterized by a very small size and planar compact structure, has a relative frequency band of not more than 5% (with only one director!), which does not meet the modern requirements for director antennas for broadband matching.
И здесь нельзя не отметить тот факт, что одна и та же антенна даже таким известным специалистом в области антенн и устройств СВЧ, как Д.М.Сазонов, названа им в его книге "Антенны и устройства СВЧ", М.: Высшая школа, 1988 год как "директорная антенна" (см. рис.11.27 на стр.309), а в английском переводе этой же книги: Sazonow D.M. "Microwave circuits and antennas", M.: Mir, 1990, - как "Яги-Уда антенна" (см. Fig. 11.27 on a page 362). Это создает определенные трудности терминологического характера и порой приводит к недоразумениям. Поэтому в дальнейшем заявитель признает сложившиеся терминологические традиции и при изложении материала будет цитировать названия, термины, определения и формулировки такими, какими они записаны в оригиналах соответствующих работ. При этом целесообразно отметить, что существует еще одно отечественное название директорией антенны, а именно: антенна типа "волновой канал" (см. работу: Марков Г.Т., Сазонов Д.М. "Антенны". - М.: Энергия, 1975, раздел 12-5, стр.406). В упомянутой книге на этой же странице также отмечается, что "... иногда эти антенны называются антеннами Уда-Яги по имени их изобретателей".And here one cannot fail to note the fact that the same antenna was even named by him in such a book as “Antennas and Microwave Devices,” by M. Sazonov, a well-known specialist in the field of antennas and microwave devices, M .: Higher School, 1988 as a “director antenna” (see Fig. 11.27 on p. 309), and in the English translation of the same book: Sazonow DM "Microwave circuits and antennas", M .: Mir, 1990, - as "Yagi-Uda antenna" (see Fig. 11.27 on a page 362). This creates certain difficulties of a terminological nature and sometimes leads to misunderstandings. Therefore, in the future, the applicant acknowledges the existing terminological traditions and, when presenting the material, will quote the names, terms, definitions and formulations as they are written in the originals of the relevant works. In this case, it is advisable to note that there is another domestic name for the antenna directory, namely: an antenna of the "wave channel" type (see work: Markov G.T., Sazonov D.M. "Antennas". - M.: Energy, 1975 section 12-5, p. 406). The mentioned book on the same page also notes that "... sometimes these antennas are called Uda-Yagi antennas by the name of their inventors."
Теперь рассмотрим более подробно директорную антенну, описанную в уже упоминавшейся работе Сазонов Д.М. "Антенны и устройства СВЧ", М.: Высшая школа, 1988, стр.309, рис.11.27 и являющуюся прототипом предлагаемого изобретения. Эта антенна содержит основную прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, имеющую излучающую и неизлучающую малые, а также неизлучающие большие стороны. Коаксиально-микрополосковый разъем, имеющий внешний металлический цилиндрический корпус и изолированный от него диэлектрической втулкой металлический центральный штырь, установлен на неизлучающей малой стороне подложки. Антенна содержит также вспомогательную прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, расположенную над основной подложкой у неизлучающей малой ее стороны. Размер одной стороны вспомогательной подложки совпадает с размером малой стороны основной подложки, а размер второй стороны определяется расстоянием от неизлучающей малой стороны основной положки до возбудителя (активного линейного вибратора). Возбудителем является параллельный малой стороне основной подложки узкий печатный проводник, состоящий из двух одинаковых половин, выполненных на обратной поверхности вспомогательной подложки вдоль стороны, противоположной разъему. Каждая из половин возбудителя соединена с началом отрезка двух связанных низкоомных (широких) полосковых линий, выполненного, например, травлением медной фольги с пробельных мест на обратной поверхности вспомогательной подложки и имеющего длину, равную четверти длины центральной волны рабочего диапазона. Этот отрезок переходит в сплошной участок металлизации, расположенный на оставшейся свободной обратной поверхности вспомогательной подложки. Фактически концы отрезка двух связанных низкоомных линий замыкаются накоротко этим сплошным участком металлизации, который, в свою очередь, после сборки антенны соединяется с внешним металлическим цилиндрическим корпусом коаксиально-микрополоскового разъема и через него - с корпусом объекта установки антенны (фактически - с "землею"). Лицевая сторона вспомогательной подложки не имеет каких-либо участков металлизации (полностью свободна от фольги).Now let us consider in more detail the director antenna described in the already mentioned work by DM Sazonov "Antennas and microwave devices", M .: Higher school, 1988, p. 309, Fig. 11.27 and which is the prototype of the invention. This antenna contains a main rectangular dielectric substrate with front and back surfaces, having radiating and non-radiating small, as well as non-radiating large sides. A coaxial microstrip connector having an external metal cylindrical body and a metal central pin insulated from it by a dielectric sleeve is mounted on the non-radiating small side of the substrate. The antenna also contains an auxiliary rectangular dielectric substrate with front and back surfaces located above the main substrate at its non-radiating small side. The size of one side of the auxiliary substrate coincides with the size of the small side of the main substrate, and the size of the second side is determined by the distance from the non-radiating small side of the main position to the pathogen (active linear vibrator). The causative agent is a narrow printed conductor parallel to the small side of the main substrate, consisting of two identical halves made on the back surface of the auxiliary substrate along the side opposite to the connector. Each of the pathogen halves is connected to the beginning of a segment of two connected low-resistance (wide) strip lines, made, for example, by etching copper foil from whitespace on the back surface of an auxiliary substrate and having a length equal to a quarter of the length of the central wave of the operating range. This segment passes into a continuous metallization section located on the remaining free reverse surface of the auxiliary substrate. In fact, the ends of a segment of two connected low-resistance lines are short-circuited by this continuous metallization section, which, in turn, after assembling the antenna, is connected to the external metal cylindrical housing of the coaxial microstrip connector and through it to the housing of the antenna installation object (in fact, to the “ground”) . The front side of the auxiliary substrate does not have any plating areas (completely free of foil).
На лицевой поверхности основной подложки вдоль малой излучающей стороны параллельно ей выполнены три пассивных линейных директора в виде узких печатных проводников, центральные точки которых соединены между собой гальванически узкой печатной перемычкой. Кроме того, на лицевой поверхности основной подложки вблизи малой неизлучающей стороны (где установлен разъем) выполнены питающая и вспомогательная микрополосковые линий. Обе линии расположены параллельно друг другу и проходят под серединами уже упомянутых связанных низкоомных линий отрезка, выполненного на обратной поверхности вспомогательной подложки. При этом начало питающей линии соединено с центральным штырем разъема, конец питающей линии соединен с началом вспомогательной микрополосковой линии, конец которой разомкнут (находится в состоянии холостого хода). Обратная сторона основной подложки полностью свободна от металлизации (фольги).On the front surface of the main substrate along the small radiating side, parallel to it are three passive linear directors in the form of narrow printed conductors, the central points of which are interconnected by a galvanically narrow printed jumper. In addition, on the front surface of the main substrate near the small non-radiating side (where the connector is installed), the supply and auxiliary microstrip lines are made. Both lines are parallel to each other and pass under the midpoints of the already mentioned connected low-resistance lines of a segment made on the back surface of the auxiliary substrate. In this case, the beginning of the supply line is connected to the central pin of the connector, the end of the supply line is connected to the beginning of the auxiliary microstrip line, the end of which is open (in idle state). The reverse side of the main substrate is completely free of metallization (foil).
При сборке описанной антенны вспомогательная подложка лицевой своей поверхностью плотно (без воздушных зазоров) накладывается на лицевую поверхность основной подложки так, что малые стороны обеих подложек в зоне установки разъема совмещаются. В результате после механической фиксации (например, соединением "винт-гайка") обеих подложек формируется печатная директорная антенна, в которой в качестве пассивного рефлектора используется уже упомянутый сплошной участок металлизации на обратной поверхности вспомогательной подложки (см. позицию 2 на рис.11.27, б из вышеупомянутой работы "Антенны и устройства СВЧ" на стр.309). Число директоров может быть не только три, но и больше (до 10-ти), поскольку излучение упомянутой антенны направлено в сторону директоров (в направлении излучающей малой стороны основной подложки) и вследствие этого они последовательно довольно интенсивно возбуждаются. Для получения максимального коэффициента направленного действия (КНД) расстояния между директорами и длина каждого из них должны, как указывается на стр.309 упомянутой работы "Антенны и Устройства СВЧ", специально подбираться на заданной частоте с тем, чтобы выполнялись определенные соотношения между токами в вибраторах. Настроенная директорная антенна весьма чувствительна к изменению частоты. Поэтому, как отмечается на этой же стр.309, антенна является узкополосной - рабочая полоса частот при допустимом изменении КНД в два раза составляет несколько процентов.When assembling the described antenna, the auxiliary substrate with its front surface is tightly (without air gaps) imposed on the front surface of the main substrate so that the small sides of both substrates in the installation area of the connector are aligned. As a result, after mechanical fixation (for example, screw-nut connection) of both substrates, a printed director antenna is formed in which the already mentioned solid metallization section on the back surface of the auxiliary substrate is used as a passive reflector (see position 2 in Fig. 11.27, b from the aforementioned work “Antennas and microwave devices” on page 309). The number of directors can be not only three, but also more (up to 10), since the radiation of the aforementioned antenna is directed toward the directors (towards the radiating small side of the main substrate) and, as a result, they are sequentially rather intensively excited. To obtain the maximum directivity coefficient (KND), the distances between the directors and the length of each of them should, as indicated on page 309 of the aforementioned work “Antennas and Microwave Devices”, be specially selected at a given frequency so that certain ratios between currents in the vibrators are fulfilled . A tuned director antenna is very sensitive to frequency changes. Therefore, as noted on the same page 309, the antenna is narrow-band - the working frequency band with an allowable change in the directivity gain of two times is several percent.
Следует подчеркнуть, что относительно входного КСВН питающего коаксиального кабеля, подключаемого к разъему упомянутой антенны, в цитируемой работе Д.М.Сазонова ничего не говорится. Поэтому заявитель провел анализ изменения входного КСВН в полосе частот с использованием ЭВМ. В основу алгоритма этого анализа были положены материалы работы: "Антенны и устройства СВЧ", под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981, стр.204-205, рис.10.7. Использование этих материалов возможно по той причине, что в них детально анализировался фрагмент описываемой директорной антенны, образованный обратной поверхностью вспомогательной подложки и находящейся под ней лицевой поверхностью основной подложки, включающий в себя соответственно: разъем, сплошной участок металлизации (рефлектор), отрезок двух связанных низкоомных линий, возбудитель, основную и вспомогательную микрополосковые линии. Результаты анализа свидетельствуют о том, что рабочая полоса частот директорией антенны-прототипа по уровню Кст.U≤1.15 составляет 4%. Этот результат соответствует заключению авторов работы "Антенны и устройства СВЧ", под ред. Д.И.Воскресенского, стр.205, предпоследний абзац: "Так как приведенная схема входной цепи может обеспечить только узкополосное согласование излучателя с линией передачи, весь расчет проводится на средней частоте. Полоса пропускания подобного излучателя составляет несколько процентов...".It should be emphasized that with respect to the input VSWR of the supplying coaxial cable connected to the connector of the aforementioned antenna, D.M.Sazonov cited does not say anything. Therefore, the applicant conducted an analysis of changes in the input VSWR in the frequency band using a computer. The algorithm of this analysis was based on the materials of the work: “Antennas and microwave devices,” ed. D.I. Voskresensky. - M.: Radio and Communications, 1981, pp. 204-205, Fig. 10.7. The use of these materials is possible because they analyzed in detail a fragment of the described director antenna formed by the back surface of the auxiliary substrate and the front surface of the main substrate below it, which includes, respectively: a connector, a solid metallization section (reflector), a segment of two connected low-resistance lines, pathogen, main and auxiliary microstrip lines. The results of the analysis indicate that the working frequency band of the prototype antenna directory at the level of K st.U ≤1.15 is 4%. This result corresponds to the conclusion of the authors of "Antennas and Microwave Devices," ed. D.I. Voskresensky, p.205, penultimate paragraph: "Since the given input circuit diagram can provide only narrow-band matching of the emitter with the transmission line, the entire calculation is carried out at the middle frequency. The passband of such an emitter is several percent ...".
Таким образом, выбранная в качестве прототипа директорная антенна хотя и характеризуется планарной компактной структурой, имеет относительную полосу рабочих частот несколько процентов (по-видимому, не больше 5%), что не удовлетворяет современным требованиям к планарным директорным антеннам по широкополосности.Thus, although the director antenna selected as a prototype is characterized by a planar compact structure, it has a relative operating frequency band of several percent (apparently, no more than 5%), which does not meet modern requirements for planar director antennas for broadband.
Задачей предлагаемого изобретения является создание компактной планарной директорией антенны с более широкой относительной полосой рабочих частот.The objective of the invention is to create a compact planar directory of the antenna with a wider relative band of working frequencies.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известной директорной антенне, содержащей прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, имеющую излучающую и неизлучающую малые, а также неизлучающие большие стороны, коаксиально-микрополосковый разъем, имеющий внешний металлический цилиндрический корпус и изолированный от него диэлектрической втулкой металлический центральный штырь, линейный возбудитель, пассивные рефлектор и три линейных директора, питающую и вспомогательную микрополосковые линии, при этом возбудитель выполнен в виде параллельного малым сторонам подложки узкого печатного проводника, состоящего из двух идентичных половин, директоры выполнены в виде параллельных малым сторонам подложки сплошных узких печатных проводников, расположенных на лицевой поверхности подложки между возбудителем и излучающей ее стороной, рефлектор выполнен в виде расположенного между неизлучающей малой стороной подложки и возбудителем сплошного прямоугольного печатного проводника, у которого одна сторона совпадает с неизлучающей малой стороной подложки, противоположная сторона параллельна возбудителю, две другие стороны совпадают с частями неизлучающих больших сторон подложки, питающая и вспомогательная микрополосковые линии выполнены на лицевой поверхности подложки, причем начало питающей микрополосковой линии соединено с металлическим центральным штырем коаксиально-микрополоскового разъема, внешний металлический цилиндрический корпус которого соединен с рефлектором, возбудитель расположен на лицевой поверхности подложки, рефлектор выполнен на обратной поверхности подложки, при этом конец питающей микрополосковой линии соединен с одной из половин возбудителя, вторая половина которого соединена с началом вспомогательной микрополосковой линии, конец которой посредством сквозного металлизированного отверстия короткозамкнут на рефлектор, причем длина линейного возбудителя, равная размеру малой стороны подложки, составляет (0.449-0.452)λ, длина ближайшего к возбудителю пассивного линейного директора выбрана в пределах (0.422-0.432)λ, длина центрального пассивного линейного директора составляет (0.428-0.436)λ, длина ближайшего к излучающей малой стороне подложки пассивного линейного директора выбрана как (0.41-0.42)λ, длина вспомогательной микрополосковой линии составляет (0.51-0.52)λ, расстояние между пассивным рефлектором и линейным возбудителем выбрано в пределах (0.08-0.09)λ, расстояние между возбудителем и ближайшим к нему пассивным линейным директором составляет (0.18-0.19)λ, расстояние между пассивным линейным директором, ближайшим к возбудителю, и центральным пассивным линейным директором выбрано как (0.28-0.29)λ, расстояние между центральным пассивным линейным директором и пассивным линейным директором, ближайшим к излучающей малой стороне подложки, составляет (0.23-0.24)λ, где λ - длина центральной волны рабочего диапазона частот.The solution to this problem is provided by the fact that in the known director antenna containing a rectangular dielectric substrate with front and back surfaces, having radiating and non-radiating small and non-radiating large sides, a coaxial microstrip connector having an external metal cylindrical body and an insulating sleeve insulated from it metal central pin, linear exciter, passive reflector and three linear directors, supply and auxiliary microstrip lines and, while the pathogen is made in the form of a narrow printed conductor parallel to the small sides of the substrate, consisting of two identical halves, the directors are made in the form of continuous narrow printed conductors parallel to the small sides of the substrate, located on the front surface of the substrate between the pathogen and its radiating side, the reflector is made the form of a continuous rectangular printed conductor located between the non-radiating small side of the substrate and the pathogen, in which one side coincides with the non-radiating the opposite side is parallel to the pathogen, the other two sides coincide with the parts of the non-radiating large sides of the substrate, the supply and auxiliary microstrip lines are made on the front surface of the substrate, and the beginning of the supply microstrip line is connected to the metal central pin of the coaxial microstrip connector, an external metal cylindrical body which is connected to the reflector, the pathogen is located on the front surface of the substrate, the reflector is made on the reverse surface of the substrate, while the end of the supply microstrip line is connected to one of the halves of the pathogen, the second half of which is connected to the beginning of the auxiliary microstrip line, the end of which is shorted through the metallized hole to the reflector, and the length of the linear pathogen equal to the size of the small side of the substrate is (0.449 -0.452) λ, the length of the passive line director closest to the pathogen is selected within the range (0.422-0.432) λ, the length of the central passive line director is (0.428-0.436) λ, the length of the passive linear director closest to the radiating small side of the substrate is selected as (0.41-0.42) λ, the length of the auxiliary microstrip line is (0.51-0.52) λ, the distance between the passive reflector and the linear exciter is selected within (0.08 -0.09) λ, the distance between the pathogen and the closest passive linear director is (0.18-0.19) λ, the distance between the passive linear director closest to the pathogen and the central passive linear director is selected as (0.28-0.29) λ, the distance between the central P ssivnym linear director and the director passive linear closest to the radiating face of the substrate small amounts (0.23-0.24) λ, where λ - length of the center wavelength of the operating band.
На фиг.1 изображена предлагаемая директорная антенна в трех проекциях, на фиг.2 - теоретическая и экспериментальная частотные характеристики входного коэффициента стоячей волны напряжения Kст.U, на фиг.3 - экспериментальные диаграммы направленности антенны по мощности в плоскостях векторов напряженности магнитного 
Предлагаемая директорная антенна (фиг.1) содержит прямоугольную диэлектрическую подложку 1 с лицевой 2 и обратной 3 поверхностями, имеющую излучающую 4 и неизлучающую 5 малые, а также неизлучающие большие 6, 7 стороны, коаксиально-микрополосковый разъем 8, имеющий внешний металлический цилиндрический корпус 9 и изолированный от него диэлектрической втулкой 10 металлический центральный штырь 11, линейный возбудитель 12, пассивные рефлектор 13 и три линейных директора 14, 15, 16, питающую 17 и вспомогательную 18 микрополосковые линии. При этом возбудитель выполнен в виде параллельного малым сторонам 4 и 5 подложки 1 узкого печатного проводника шириной WB, состоящего из двух идентичных половин 19, 20, директоры 14, 15, 16 выполнены в виде параллельных малым сторонам 4 и 5 подложки 1 сплошных узких печатных проводников шириной соответственно W14, W15 и W16. Возбудитель 12 выполнен на лицевой поверхности 2 подложки 1 на расстоянии S1 от неизлучающей малой стороны 5. Величина S1 равна половине длины центральной волны λ рабочего диапазона частот: S1=λ/2. Это расстояние не имеет принципиального значения для излучения антенны, просто большая его величина ведет к неоправданным габаритам и массе антенны. Директоры 14, 15 и 16 выполнены на лицевой 2 поверхности подложки 1 между возбудителем 12 и излучающей малой 4 ее стороной. Рефлектор 13 выполнен в виде расположенного на обратной 3 поверхности подложки 1 между неизлучающей малой ее стороной 5 и возбудителем 12 сплошного прямоугольного печатного проводника с размерами LB и S2, у которого одна сторона (с размером LB) совпадает с неизлучающей малой стороной 5 подложки, противоположная сторона (также с размером LB) параллельна возбудителю 12, две другие стороны (с размерами S2) совпадают с частями неизлучающих больших сторон 6 и 7 подложки. При этом размер S2 всегда меньше размера S1:S2<S1. Питающая 17 и вспомогательная 18 микрополосковые линии шириной соответственно W1 и W2 выполнены на лицевой 2 поверхности подложки 1, причем начало 21 питающей микрополосковой линии 17 соединено с металлическим центральным штырем 11 коаксиально-микрополоскового разъема 8, а ее конец 22 соединен с одной из половин 19 возбудителя 12. Вторая половина 20 возбудителя 12 соединена с началом 23 вспомогательной микрополосковой линии 18, конец 24 которой посредством сквозного металлизированного отверстия 25 короткозамкнут на рефлектор 13. Внешний металлический цилиндрический корпус 9 разъема 8 соединен с рефлектором 13. Это соединение можно выполнить различными способами. Чаще всего оно выполняется с использованием металлического холоднотянутого профиля 26, имеющего в поперечном сечении форму буквы "Т" с неодинаковыми горизонтальными полочками, закрепляемого на подложке 1 с помощью, например, нескольких винтов 27, гаек 28 и шайб 29. При этом профиль плотно прилегает к рефлектору 13, обеспечивая надежное гальваническое соединение. При необходимости можно принять дополнительные конструкторские меры по обеспечению надежности этого соединения в процессе эксплуатации. Кроме того, следует учитывать, что профиль 26 и рефлектор 13 образуют конденсатор, в котором диэлектриком являются весьма тонкие окисные слои на прилегающих проводящих поверхностях рефлектора и профиля. Поэтому на частотах рабочей полосы печатной директорией антенны (где, как правило: λ<30 см) этот конденсатор имеет пренебрежимо малое по модулю емкостное реактивное сопротивление и не оказывает существенного влияния на параметры антенны. Сам разъем 8 обычно ввинчивается по резьбе в профиль 26 по месту установки так, чтобы его центральный штырь 11 был приподнят над лицевой поверхностью 2 подложки 1 на величину порядка 0.2-0.4 мм. После ввинчивания место соединения разъема 8 и профиля 26 пропаивается либо непосредственно, либо по предварительно нанесенному паяемому металлическому покрытию. В качестве примера можно указать герметизированный коаксиально-микрополосковый разъем типа СРГ-50-751-ФВ. На заключительном этапе сборки заявляемой антенны выполняется гальваническое соединение штыря 11 с началом 21 питающей микрополосковой линии 17. Это соединение рекомендуется выполнить гибкой перемычкой 30 из фольги толщиной 20-25 мкМ, припаиваемой к штырю 8 и началу 21 линии 17 (см., например, работу: Бушминский И.П., Морозов Г.В. "Технологическое проектирование микросхем СВЧ". - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001 г.).The proposed director antenna (Fig. 1) contains a rectangular dielectric substrate 1 with front 2 and reverse 3 surfaces, having radiating 4 and non-radiating 5 small and non-radiating large 6, 7 sides, a coaxial microstrip connector 8 having an external metal cylindrical body 9 and a metal central pin 11, a linear exciter 12, passive reflector 13, and three linear directors 14, 15, 16, supply 17 and auxiliary 18 microstrip lines isolated from it by a
Для обеспечения направленного излучения заявляемой директорией антенны и согласования ее с питающим коаксиальным кабелем (на фиг.1 кабель условно не показан), подключаемом к разъему 8, принципиальное значение имеют размеры и взаимное расположение пассивного рефлектора 13, линейного возбудителя 12, пассивных линейных директоров 14, 15, 16 и вспомогательной микрополосковой линии 18, которые выбираются из соотношений:To ensure directional radiation by the claimed directory of the antenna and matching it with a supply coaxial cable (cable not shown conventionally in Fig. 1) connected to connector 8, the dimensions and relative position of the passive reflector 13, linear exciter 12, passive linear directors 14, 15, 16 and auxiliary microstrip line 18, which are selected from the ratios:
- длина LB линейного возбудителя, равная размеру малых сторон 4, 5 подложки 1 (0.449-0.452)λ;- the length L B of the linear pathogen, equal to the size of the small sides 4, 5 of the substrate 1 (0.449-0.452) λ;
- длина L14 ближайшего к возбудителю 12 пассивного линейного директора 14 (0.422-0.432)λ;- the length L 14 closest to the pathogen 12 of the passive linear director 14 (0.422-0.432) λ;
- длина L15 центрального пассивного линейного директора 15 (0.428-0.436)λ;- the length L 15 of the central passive linear director 15 (0.428-0.436) λ;
- длина L16 ближайшего к излучающей малой стороне 4 подложки 1 пассивного линейного директора 16 (0.41-0.42)λ;- the length L 16 closest to the radiating small side 4 of the substrate 1 of the passive linear director 16 (0.41-0.42) λ;
- длина L* вспомогательной микрополосковой линии 18, отсчитываемая по средней линии от ее начала 23 до конца 24 (0.51-0.52)λ;- the length L * of the auxiliary microstrip line 18, counted along the midline from its beginning 23 to the end 24 (0.51-0.52) λ;
- расстояние S3 между кромкой пассивного рефлектора 13 и средней линией линейного возбудителя 12 (0.08-0.09)λ;- the distance S 3 between the edge of the passive reflector 13 and the middle line of the linear pathogen 12 (0.08-0.09) λ;
- расстояние S4 между возбудителем 12 и ближайшим к нему пассивным линейным директором 14, отсчитываемое от средних линий (0.18-0.19)λ;- the distance S 4 between the pathogen 12 and the nearest passive linear director 14, measured from the middle lines (0.18-0.19) λ;
- расстояние S5 между пассивным линейным директором 14, ближайшим к возбудителю 12, и центральным пассивным линейным директором 15, отсчитываемое от средних линий (0.28-0.29)λ;- the distance S 5 between the passive linear director 14 closest to the pathogen 12 and the central passive linear director 15, counted from the middle lines (0.28-0.29) λ;
- расстояние S6 между центральным пассивным линейным директором 15 и пассивным линейным директором 16, ближайшим к излучающей малой стороне 4 подложки 1, отсчитываемое от средних линий (0.23-0.24)λ, где λ - длина центральной волны рабочего диапазона частот. При этом расстояние S7 между средней линией директора 16 и кромкой излучающей малой стороны 4 подложки 1 практически не влияет на излучение и согласование директорией антенны и выбирается из конструктивно-технологических требований так, чтобы выполнялось условие: S7>W16/2. В заявляемой директорией антенне также выполняется условие:- the distance S 6 between the central passive linear director 15 and the passive linear director 16 closest to the radiating small side 4 of the substrate 1, measured from the middle lines (0.23-0.24) λ, where λ is the length of the central wave of the working frequency range. At the same time, the distance S 7 between the middle line of the director 16 and the edge of the radiating small side 4 of the substrate 1 practically does not affect the radiation and matching by the antenna directory and is selected from the design and technological requirements so that the condition is satisfied: S 7 > W 16/2 . The following conditions are also satisfied in the antenna claimed by the directory:
На излучение [на параметры диаграммы направленности (ДН)] и согласование заявляемой антенны практически не влияют также ширины WB, W14, W15, W16 линейного возбудителя 12 и линейных директоров 14, 15, 16, так как их величины выбираются согласно материалов работы "Антенны и устройства СВЧ" / Под ред. Д.И.Воскресенского, М.: Радио и связь, 1981, стр.188 так, чтобы обеспечивались условия:The radiation [on the parameters of the radiation pattern (NL)] and the matching of the claimed antenna are practically not affected by the widths W B , W 14 , W 15 , W 16 of the linear pathogen 12 and linear directors 14, 15, 16, since their values are selected according to the materials work "Antennas and microwave devices" / Ed. D.I. Voskresensky, M .: Radio and communications, 1981, p. 188 so that the conditions are provided:
В этом случае диаграмма направленности ленточного вибратора принимается такой же, как и для бесконечно тонкого проволочного (цилиндрического) вибратора. Фактически это означает, что для обеспечения условий (2) ширины возбудителя 12 и директоров 14, 15 и 16 можно назначать, исходя лишь из конструкторско-технологических ограничений, таких как: степень адгезии узких печатных проводников к подложке, стабильность реализации назначенных ширин по длине печатных проводников и другие. Поэтому можно рекомендовать выполнить линейный возбудитель 12 и линейные директоры 14, 15 и 16 одинаковой ширины, исходя из требований унификации:In this case, the radiation pattern of the tape vibrator is taken to be the same as for the infinitely thin wire (cylindrical) vibrator. In fact, this means that to ensure conditions (2), the width of the pathogen 12 and the directors 14, 15, and 16 can be assigned based only on design and technological limitations, such as: the degree of adhesion of narrow printed conductors to the substrate, the stability of the implementation of the assigned widths along the length of the printed conductors and others. Therefore, we can recommend the execution of the linear pathogen 12 and linear directors 14, 15 and 16 of the same width, based on the requirements of unification:
Толщина Н диэлектрической подложки 1, являющейся несущей деталью директорией антенны, также, как правило, существенно не влияет на ДН заявляемой антенны и учитывается в основном при расчете длин LB и L14, L15, L16 возбудителя 12 и директоров 14, 15, 16 соответственно (см. работу: "Антенны и устройства СВЧ" / Под ред. Д.И.Воскресенского, М.: Радио и связь, 1981, стр.189). Поэтому в качестве подложки 1 рекомендуется выбрать стандартные листовые фольгированные диэлектрики с относительной диэлектрической проницаемостью εr и толщиной Н равными:The thickness H of the dielectric substrate 1, which is the bearing part of the antenna directory, also, as a rule, does not significantly affect the DN of the claimed antenna and is taken into account mainly when calculating the lengths L B and L 14 , L 15 , L 16 of the pathogen 12 and directors 14, 15, 16 respectively (see work: "Antennas and microwave devices" / Ed. By D. I. Voskresensky, M .: Radio and communications, 1981, p. 189). Therefore, as a substrate 1, it is recommended to choose standard sheet foil dielectrics with a relative permittivity ε r and thickness H equal to:
Принцип действия заявляемой директорией антенны состоит в следующем.The principle of operation of the claimed antenna directory is as follows.
Пусть к началу 21 питающей микрополосковой линии 17 через коаксиально-микрополосковый разъем 8 от генератора подводится сверхвысокочастотный сигнал, амплитуда которого остается неизменной в широкой полосе частот. Этот сигнал, дойдя до конца 22 питающей микрополосковой линии 17, возбуждает половину 19 возбудителя 12. Вторая половина 20 возбудителя 12 возбуждается за счет переменных токов смещения, возникающих в окружающем возбудитель 12 диэлектрическом пространстве. Поскольку толщина Н диэлектрической подложки 1 весьма мала, можно считать, что диэлектриком, окружающем возбудитель 12, является воздух с относительной диэлектрической проницаемостью, близкой к единице: 
Электромагнитная волна, созданная в окружающем пространстве возбудителем 12, дойдя до ближайшего к возбудителю пассивного линейного директора 14, приводит к появлению на его проводящей металлической поверхности поверхностного тока проводимости I14(x14), который распределен вдоль координаты x14 по длине директора 14 по закону, близкому к синусоидальному:An electromagnetic wave created in the surrounding space by the pathogen 12, reaching the passive linear director 14 closest to the pathogen, leads to the appearance of a surface conductivity current I 14 (x 14 ) on its conductive metal surface, which is distributed along the coordinate x 14 along the length of the director 14 according to the law close to sinusoidal:
где IП14 - амплитуда тока проводимости в пучности (максимуме), k=2π/λ - волновое число. Поверхностный ток проводимости на поверхности директора 14 создает вторичное электромагнитное поле, которое интерферирует с первичным полем возбудителя 12, формируя максимум их суммарного излучения в направлении излучающей малой стороны 4 подложки 1 (то есть в направлении последующих директоров 15 и 16) лишь при вполне определенном расстоянии S4 между возбудителем 12 и директором 14. При этом собственное комплексное сопротивление директора 14 пересчитывается к клеммам питания возбудителя 12, образованным концом 22 питающей микрополосковой линии 17 и началом 23 вспомогательной микрополосковой линии 18. Если бы не было последующих директоров 15 и 16, то согласование возбудителя 12 (или, что то же, всей директорией антенны в целом) со сверхвысокочастотным генератором обеспечивалось бы подбором расстояний S3, S4 и длин LB, L14, L*. Но сформировавшаяся бы диаграмма направленности антенны характеризовалась бы в этом случае слишком большими углами 
Для обеспечения коэффициента направленного действия, требуемого в современных системах радиосвязи и радиолокации, в заявляемой антенне задействованы второй и третий пассивные линейные директоры 15 и 16. Число директоров может быть и больше трех. В этом случае направленность антенны возрастает, но ее настройка становится весьма трудоемкой, так как приходится регулировать слишком большое количество расстояний и размеров. Опыт практического использования директорных антенн показал, что при трех директорах удается обеспечить требуемую направленность антенны при приемлемой трудоемкости изготовления и настройки в печатном исполнении. При этом директоры 15 и 16 расположены в зоне, где концентрируется суммарное электромагнитное излучение возбудителя 12 и ближайшего к нему директора 14. В результате в директорах 15 и 16 наводятся поверхностные токи проводимости I15(x15) и I16(x16), которые распределены по соответствующим координатам х15 и х16 вдоль этих директоров также по закону, близкому к синусоидальному:To ensure the directional coefficient required in modern systems of radio communications and radar, the second and third passive linear directors 15 and 16 are involved in the inventive antenna. The number of directors may be more than three. In this case, the directivity of the antenna increases, but its tuning becomes very time-consuming, since it is necessary to adjust too many distances and sizes. Experience in the practical use of director antennas has shown that with three directors it is possible to provide the required antenna directivity with an acceptable labor-intensive manufacturing and tuning in print. At the same time, directors 15 and 16 are located in the zone where the total electromagnetic radiation of the pathogen 12 and the director nearest to it are concentrated 14. As a result, direct conductors I 15 (x 15 ) and I 16 (x 16 ) are induced in directors 15 and 16, which distributed along the respective coordinates x 15 and x 16 along these directors also according to a law close to sinusoidal:
где IП15, IП16 - амплитуды поверхностных токов проводимости в пучностях (максимумах). Электромагнитное излучение этих токов, интерферируя с электромагнитным излучением тока возбудителя и поверхностного тока I14(x14) [формула (5)], формирует суммарное итоговое электромагнитное излучение в целом заявляемой антенны. При этом собственные комплексные сопротивления пассивных линейных директоров 15 и 16 также пересчитываются к клеммам питания возбудителя 12. В результате сверхвысокочастотный генератор "ощущает" на входе разъема 8 итоговое сопротивление ZA=RA+jXA, которое в общем случае является комплексным. Но за счет подбора всех ключевых размеров антенны удается минимизировать реактивную составляющую ХA в рабочей полосе частот до уровня, когда |ХA| составляет (3...5)% от RA.where I P15 , I P16 are the amplitudes of the surface conduction currents in antinodes (maxima). The electromagnetic radiation of these currents, interfering with the electromagnetic radiation of the pathogen current and surface current I 14 ( x14 ) [formula (5)], forms the total resulting electromagnetic radiation as a whole of the claimed antenna. In this case, the intrinsic complex resistances of the passive line directors 15 and 16 are also converted to the power supply terminals of the exciter 12. As a result, the microwave generator “senses” the final resistance Z A = R A + jX A at the input of connector 8, which is generally complex. But due to the selection of all key antenna sizes, it is possible to minimize the reactive component X A in the working frequency band to the level when | X A | is (3 ... 5)% of R A.
Таким образом, входное сопротивление ZA директорией антенны в рабочей полосе частот будет практически вещественным: ZA≈RA. При этом формируется диаграмма направленности с хорошими направленными свойствами в направлении излучающей малой стороны 4 подложки 1.Thus, the input impedance Z A by the antenna directory in the working frequency band will be practically real: Z A ≈R A. In this case, a radiation pattern is formed with good directional properties in the direction of the radiating small side 4 of the substrate 1.
Выбор ключевых размеров антенны, оказывающих существенное влияние на ее согласование в полосе частот Δf, осуществляется по алгоритму поиска экстремума целевой функции FЦ многих переменных, где в качестве этих переменных фигурируют ключевые размеры. Целевая функция FЦ формируется как сумма двух безразмерных величин. Первой величиной является модуль коэффициента отражения |ГA| антенны, а второй величиной является число, обратное коэффициенту D направленного действия:The key dimensions of the antenna, which have a significant impact on its matching in the frequency band Δf, are selected using the algorithm for searching the extremum of the objective function F C of many variables, where key sizes appear as these variables. The objective function F C is formed as the sum of two dimensionless quantities. The first value is the reflection coefficient modulus | G A | antenna, and the second quantity is the number inverse to the directional coefficient D:
Сами величины |ГA| и D рассчитываются с использованием методов интегральных уравнений и наведенных электродвижущих сил, описанных в работах:The quantities themselves | G A | and D are calculated using the methods of integral equations and induced electromotive forces described in the works:
- "Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн" / Б.А.Панченко, С.Т.Князев, Ю.Б.Нечаев и др. - М.: Радио и связь, 2002. - 256 с.;- "Electrodynamic calculation of the characteristics of strip antennas" / B.A. Panchenko, S.T. Knyazev, Yu.B. Nechaev and others. - M .: Radio and communications, 2002. - 256 p .;
- Чебышев В.В. "Микрополосковые антенны и решетки в слоистых средах". - М.: Радиотехника, 2003. - 104 с.: илл.- Chebyshev V.V. "Microstrip antennas and arrays in layered media." - M .: Radio engineering, 2003. - 104 p .: ill.
В процессе алгоритмизации вычислений распределения поверхностных токов проводимости, определяемые уравнениями (5) и (6), служат адекватными начальными приближениями.In the process of algorithmizing the calculations, the distributions of the surface conductivity currents determined by equations (5) and (6) serve as adequate initial approximations.
В результате нахождения минимума целевой функции (7) методом Пауэлла заявляемая директорная антенна при использовании диэлектрика ФАФ - 4 (εr=2.5) толщиной H=1.5 мм характеризуется следующими существенно влияющими на излучение электромагнитного поля размерами, указанными на фиг.1 и нормированными к длине центральной волны λ рабочего диапазона частот или толщине подложки Н:As a result of finding the minimum of the objective function (7) by the Powell method, the inventive director antenna using a FAF - 4 dielectric (ε r = 2.5) with a thickness of H = 1.5 mm is characterized by the following dimensions significantly affecting the radiation of the electromagnetic field, indicated in FIG. 1 and normalized to the length the central wave λ of the operating frequency range or the thickness of the substrate H:
Совокупность этих размеров минимизирует реактивную составляющую входного сопротивления ZA антенны, причем кроме обеспечения требуемых размеров для компенсации реактивной составляющей ХA вторая половина 20 линейного возбудителя 12 соединена с началом 23 вспомогательной микрополосковой линии 18, конец 24 которой посредством сквозного металлизированного отверстия 25 короткозамкнут на рефлектор 13 (фиг.1). При этом, в отличие от прототипа, рефлектор 13 расположен значительно ближе к возбудителю 12, чем достигается сокращение продольного размера L. К тому же в предлагаемой директорией антенне питающая 17 и вспомогательная 18 микрополосковые линии расположены над сплошным рефлектором 13 и, в отличие от прототипа, соединены соответственно с половинами 19 и 20 возбудителя 12. Это способствует поддержанию условий эффективной минимизации реактивной составляющей ХA входного сопротивления в более широкой относительной полосе частот, достигающей 10%. При этом входной Kст.U антенны, связанный с |ГA| соотношениемThe combination of these sizes minimizes the reactive component of the input resistance Z A of the antenna, and in addition to providing the required dimensions to compensate for the reactive component X A, the
остается в указанной относительной полосе частот Δf/f0 ниже уровня 1.5 (Kст.U≤1.5; фиг.2, позиция 31 - теоретическая характеристика).remains in the indicated relative frequency band Δf / f 0 below the level of 1.5 (K st.U ≤1.5; figure 2, position 31 - theoretical characteristic).
Для экспериментальных исследований была изготовлена заявляемая директорная антенна с центральной частотой f0=2.9 ГГц. Антенна реализована на диэлектрической подложке из материала ФАФ - 4 (εr=2.5) толщиной H=1.5 мм. Ключевые размеры антенны определялись из соотношений (8) и для 
В качестве коаксиально-микрополоскового разъема 8 (фиг.1) использовался стандартный герметизированный соединитель СРГ-50-751-ФВ.As a coaxial microstrip connector 8 (FIG. 1), a standard sealed connector SRG-50-751-FV was used.
Результаты экспериментальных исследований, выполненные на соответствующей аппаратуре, представлены на фиг.2 и фиг.3. Входной - Kст.U заявляемой антенны (фиг.2, позиция 32 - штриховая линия, кружки) измерен с использованием индикатора КСВН "Я2Р-67" с блоком генератора качающейся частоты на диапазон 2-4 ГГц. Диаграмма направленности антенны измерена на частоте f0=2,9 ГГц с использованием генератора "Г3-22" и универсального микровольтметра - усилителя "В6-4" и представлена на фиг.3 (позиция 33 - для плоскости xoz вектора напряженности магнитного поля
Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о возможности реализации компактной планарной директорией антенны с относительной полосой рабочих частот Δf/f0 по уровню Kст.U=1.5 не менее 10%, что более чем в 2 раза лучше, чем у прототипа. При этом обратная поверхность 3 прямоугольной диэлектрической подложки 1 заявляемой антенны не содержит каких-либо печатных фрагментов, кроме сплошного печатного рефлектора 13, который соединяется гальванически с металлическим корпусом прибора ("землею") через проводящий металлический профиль 26. Это позволяет уверенно рекомендовать заявляемую директорную антенну для практического использования в широкополосных антенных системах связи, радиолокации и телекоммуникаций.Thus, the presented results indicate the possibility of implementing a compact planar directory of the antenna with a relative band of working frequencies Δf / f 0 at the level of K st.U = 1.5 not less than 10%, which is more than 2 times better than that of the prototype. Moreover, the reverse surface 3 of the rectangular dielectric substrate 1 of the claimed antenna does not contain any printed fragments, except for a continuous printed reflector 13, which is galvanically connected to the metal housing of the device ("ground") through a conductive metal profile 26. This allows you to confidently recommend the inventive director antenna for practical use in broadband antenna communication systems, radar and telecommunications.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005113094/09A RU2285984C1 (en) | 2005-04-29 | 2005-04-29 | Director antenna |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005113094/09A RU2285984C1 (en) | 2005-04-29 | 2005-04-29 | Director antenna |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2285984C1 true RU2285984C1 (en) | 2006-10-20 |
Family
ID=37438003
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005113094/09A RU2285984C1 (en) | 2005-04-29 | 2005-04-29 | Director antenna |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2285984C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9590320B2 (en) | 2012-06-29 | 2017-03-07 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Electromagnetic dipole antenna |
| CN109742560A (en) * | 2018-12-29 | 2019-05-10 | 深圳Tcl新技术有限公司 | Directional gain antenna |
-
2005
- 2005-04-29 RU RU2005113094/09A patent/RU2285984C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| САЗОНОВ Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988, с.309, рис.11.27 б. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9590320B2 (en) | 2012-06-29 | 2017-03-07 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Electromagnetic dipole antenna |
| CN109742560A (en) * | 2018-12-29 | 2019-05-10 | 深圳Tcl新技术有限公司 | Directional gain antenna |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5767813A (en) | Efficient electrically small loop antenna with a planar base element | |
| Sullivan et al. | Analysis of an aperture coupled microstrip antenna | |
| KR100836213B1 (en) | Antenna, radio device, method of designing antenna, and method of measuring operating frequency of antenna | |
| KR100756810B1 (en) | Slotted cylinder antenna | |
| US7250910B2 (en) | Antenna apparatus utilizing minute loop antenna and radio communication apparatus using the same antenna apparatus | |
| US9742071B2 (en) | Slot halo antenna device | |
| KR102057880B1 (en) | Compound loop antenna | |
| US20030197658A1 (en) | Capacitively-loaded bent-wire monopole on an artificial magnetic conductor | |
| JPS6171701A (en) | Antenna | |
| Sakai et al. | A 5.8-GHz band highly efficient 1-W rectenna with short-stub-connected high-impedance dipole antenna | |
| JP4364439B2 (en) | antenna | |
| KR20000029757A (en) | Bent-segment helical antenna | |
| US9431713B2 (en) | Circularly-polarized patch antenna | |
| RU2432646C1 (en) | Dual-band printed dipole antenna | |
| US6172656B1 (en) | Antenna device | |
| RU2285984C1 (en) | Director antenna | |
| JP3045536B2 (en) | Array antenna for forced excitation | |
| JP4503459B2 (en) | Multi-frequency antenna | |
| JP4968033B2 (en) | Antenna device | |
| Jaafar et al. | Parametric optimization of a non-foster circuit embedded in an electrically small antenna for wideband and efficient performance | |
| Anim et al. | Dual-Resonant stacked linear array of cross-slotted patches for small SAR satellites | |
| Douglas | Design and Analysis of microstrip antenna for 2.4 GHz applications | |
| RU2472261C1 (en) | Dipole emitter | |
| RU2351043C2 (en) | Director antenna | |
| RU2351042C1 (en) | Printed antenna |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100430 |