RU2351043C2 - Директорная антенна - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в телекоммуникационных системах сверхвысокочастотного диапазона для построения антенных устройств в планарном печатном исполнении. Техническим результатом является уменьшение продольных размеров антенны в направлении максимального излучения. Директорная антенна содержит тонкую трапецеидальную диэлектрическую подложку 1 с лицевой 2 и обратной 3 поверхностями, имеющую параллельные друг другу излучающую 4 и неизлучающую 5 стороны, а также боковые наклонные неизлучающие стороны 6 и 7, коаксиальный кабель с центральным 8 и экранирующим 9 проводниками, возбудитель 10 с активным 11 и разомкнутым 12 концами выполнен на лицевой поверхности 2 подложки 1 параллельно излучающей ее стороне 4. При этом директоры 14, 15 и 16, а также питающая микрополосковая линия 17 выполнены также на лицевой поверхности 2 подложки 1, а рефлектор 13 и дополнительно введенный прямоугольный печатный проводник 20 - на обратной поверхности 3 подложки 1. 3 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в телекоммуникационных системах сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.

Актуальность разработки компактных антенн обусловлена неослабевающими требованиями к упомянутым системам в отношении их широкополосности и массогабаритных показателей. С учетом того, что директорные антенны характеризуются хорошей направленностью, высокой степенью «чистоты поляризации» (т.е. высокой линейностью поляризации) радиоизлучения, а также удовлетворяют технологическим требованиям печатной реализации, внимание к совершенствованию их конструкций не ослабевает с течением времени.

Известны директорные антенны, описанные в работе: Антенны и устройства СВЧ / Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981 г., раздел 10, рис.10.7. Эти антенны являются излучателями полосковой линейной антенной решетки, выполненной на тонкой диэлектрической подложке с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r порядка 3…10 с лицевой и обратной поверхностями. На лицевой поверхности подложки выполнена распределительная микрополосковая линия, запитанная от генератора СВЧ колебаний. С этой линией посредством микрополосковых направленных ответвителей электромагнитно связаны питающие микрополосковые линии каждой из директорных антенн. Питающие микрополосковые линии выполнены также на лицевой поверхности подложки. Собственно директорная антенна содержит возбудитель и два директора, выполненные на обратной поверхности подложки. При этом возбудитель состоит из двух идентичных узких микрополосковых проводников, длина которых близка к λ/4, где λ - длина центральной волны рабочего диапазона. Оба проводника являются ортогональными продолжениями прямоугольного «пьедестала» в форме «ласточкина хвоста» (т.е. с продольной щелью посредине «пьедестала»), выполненного за счет травления медной фольги с пробельных мест. Ширина «пьедестала» равна сумме удвоенной ширины проводников возбудителя и ширины щели, а длина «пьедестала» близка к λ/4, причем упомянутая продольная щель имеет длину, примерно равную (75…80)% длины «пьедестала». Своей нераздвоенной частью «пьедестал» переходит в сплошной участок металлизации в виде медной фольги, которая облицовывает соответствующий участок обратной поверхности диэлектрической подложки и является заземленным основанием вышеупомянутых микрополосковых: распределительной линии, направленных ответвителей и питающей линии.

Оба директора выполнены в виде узких печатных проводников, параллельных возбудителю и расположенных рядом с ними со стороны, противоположной «пьедесталу». Длина проводников лежит в пределах (0.4…0.48)λ. Расстояние между возбудителем и ближайшим к нему директором составляет порядка 0.2λ, а расстояние между директорами - порядка 0.35λ.

В результате длина L_A описанной директорной антенны в направлении максимального излучения, перпендикулярном осям директоров, отсчитываемая от нераздвоенной части «пьедестала» до второго директора, составляет (без учета ширины проводников возбудителя и директоров) величину:

Если же предусмотреть наличие третьего директора, что зачастую имеет место при практической реализации печатных директорных антенн, то длина L_A, рассчитанная по формуле (1), должна быть увеличена на расстояние между вторым и третьим директорами. Это расстояние весьма близко к расстоянию между первым и вторым директорами и может быть оценено также как 0.35λ.

Таким образом, описанная печатная директорная антенна имеет длину порядка 0.8λ для двух и порядка 1.15λ для трех директоров, что не удовлетворяет современным требованиям к габаритам печатных антенн, особенно если учесть, что в линейной антенной решетке таких директорных антенн несколько. Эти антенны выполняются рядом друг с другом при расстоянии между осевыми линиями «ласточкиных хвостов» («пьедесталов») порядка λ/2. В результате минимальные (без учета ширин проводников, краевых полей на диэлектрической подложке и т.п.) размеры той части подложки, где локализованы директорные антенны, характеризуются величинами:

0.8λ на (N-1)λ/2+2λ/4=Nλ/2 для двух директоров,

1.15λ на (N-1)λ/2+2λ/4=Nλ/2 для трех директоров,

где N - число излучателей (т.е. директорных антенн) в описанной антенной решетке.

Известна также планарная антенна, описанная в патенте США № 7102582, US C1. 343-767, H01Q 13/10, 2006 год. Эта антенна содержит прямоугольную диэлектрическую подложку, имеющую излучающую и неизлучающую боковые стороны. На одной из поверхностей подложки выполнена щелевая линия, образованная парой симметричных друг другу проводников четырехугольной формы. При этом два смежных угла являются прямыми, а их общая сторона параллельна неизлучающей стороне подложки. Противоположные стороны этих проводников являются криволинейными. На расстоянии λ/4 (λ - длина центральной волны рабочего диапазона частот) от конца щелевой линии выполнена коллинеарная пара узких полосковых проводников, параллельных неизлучающей (или излучающей) стороне подложки, расположенная между проводниками четырехугольной формы и излучающей стороной. В результате проводники четырехугольной формы играют роль планарного вогнутого рефлектора, в фокусе которого расположены смежные концы коллинеарной пары узких полосовых проводников, и максимальное излучение антенны направлено по оси щелевой линии перпендикулярно излучающей стороне подложки. Для концентрации этого излучения в указанном направлении, между коллинеарной парой проводников и излучающей стороной подложки, параллельно ей, выполнена пара параллельных друг другу узких полосковых проводников с расстоянием между ними λ/4. Расстояние между параллельной и коллинеарной парой проводников также равно λ/4. Степень концентрации излучения в направлении, перпендикулярном излучающей стороне подложки, можно увеличить, если использовать больше чем два параллельных друг другу проводника при расстояниях между ними порядка λ/4.

Таким образом, описанная планарная антенна имеет в направлении максимального излучения длину порядка 0.75λ для двух и порядка λ для трех параллельных друг другу проводников-концентраторов излучения, что также не удовлетворяет современным требованиям к габаритам печатных антенн.

Известна также директорная антенна, описанная в патенте РФ № 2285984, H01Q 19/30, 2006 год, содержащая прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, имеющую излучающую и неизлучающую малые, а также неизлучающие большие стороны. На лицевой поверхности подложки выполнены возбудитель и три директора, расположенных между возбудителем и излучающей малой ее стороной. Рефлектор выполнен на обратной поверхности подложки между возбудителем и неизлучающей малой ее стороной в виде сплошного печатного проводника, соединенного с корпусом объекта установки (фактически: с «землею») по всей поверхности прилегания. Питающая и вспомогательная микрополосковые линии выполнены на лицевой поверхности подложки над рефлектором. В этой антенне для расширения относительной полосы рабочих частот соответствующие расстояния между элементами выбираются из интервалов, указанных в отличительной части формулы изобретении, а именно: расстояние между пассивным рефлектором и линейным возбудителем выбрано в пределах (0.08-0.09)λ, расстояние между возбудителем и ближайшим к нему директором составляет (0.18-0.19)λ, расстояние между директором, ближайшим к возбудителю, и центральным директором выбрано как (0.28-0.29)λ, расстояние между центральным директором и ближайшим к излучающей малой стороне подложки директором составляет (0.23-0.24)λ, где λ - длина центральной волны рабочего диапазона частот.

В результате длина L_A, описанной директорной антенны в направлении максимального излучения, перпендикулярного осям директоров и излучающей стороне подложки, отсчитываемая от кромки рефлектора до третьего директора (без учета ширины проводников возбудителя и директоров) составляет величину:

Таким образом, описанная директорная антенна имеет в направлении максимального излучения длину не менее 0.81λ, для трех директоров, что также не вполне удовлетворяет современным требованиям к габаритам печатных антенн.

Известна также директорная антенна, выбранная в качестве прототипа и описанная в патенте США № 6307524, US C1. 343-795, H01Q 19/30, 2002 год, которая в оригинале названа «Яги-антенна» по фамилии одного из двух авторов, исследовавших этот тип антенн в 20-х годах прошлого столетия. [Можно указать, например, работу: Hidetsugu Yagi, Beam transmission of ultra short waves, IRE Proceedings, v. 16, June 1928, № 6, p.p.715-740]. Эта антенна содержит тонкую трапецеидальную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, имеющую параллельные друг другу излучающую и неизлучающую стороны, являющиеся основаниями трапеции. На лицевой стороне подложки сформированы печатные J-образный возбудитель, а также один или несколько директоров в позициях, расположенных между излучающей стороной подложки и J-образным возбудителем. Печатный рефлектор сформирован на обратной стороне подложки между неизлучающей ее стороной и J-образным возбудителем. Антенна содержит также питающую микрополосковую линию, сформированную на лицевой стороне подложки в позиции над рефлектором. Один конец этой линии соединен с J-образным возбудителем, а другой - с центральным проводником (жилой) коаксиального кабеля, экранирующий проводник (оплетка) которого соединен с рефлектором. В свою очередь рефлектор соединяется с корпусом объекта установки («землею») по всей поверхности прилегания. В результате подбора характеристических импедансов возбудителя, коаксиального кабеля и питающей микрополосковой линии при условии, что геометрические размеры печатных директоров и J-образного возбудителя, а также расстояния между ними подбираются методом последовательных приближений в процессе решения соответствующей электродинамической задачи, описанная директорная антенна формирует максимальное излучение в направлении директоров перпендикулярно им и излучающей стороне подложки. При этом длина L_A описанной директорной антенны в направлении максимального излучения, отсчитываемая от кромки рефлектора до третьего директора (без учета ширины узких проводников возбудителя и директоров) составляет, по оценкам заявителя, величину:

где λ - длина центральной волны рабочего диапазона частот. Оценка проводилась с использованием разработанного заявителем пакета прикладных программ электродинамического моделирования на основе метода конечных элементов во временной области.

Таким образом, выбранная в качестве прототипа директорная антенна, хотя и характеризуется планарной структурой, имеет значительные продольные размеры в направлении максимального излучения, что не удовлетворяет современным требованиям к габаритно-массовым показателям антенн.

Задачей предлагаемого изобретения является создание компактной планарной директорной антенны с существенно меньшим продольным размером в направлении максимального излучения.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известной директорной антенне, содержащей тонкую трапецеидальную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, имеющую параллельные друг другу излучающую и неизлучающую стороны, а также боковые наклонные неизлучающие стороны, коаксиальный кабель с центральным и экранирующим проводниками, возбудитель с активным и разомкнутым концами, рефлектор и три директора, питающую микрополосковую линию, при этом возбудитель выполнен в виде узкого печатного проводника на лицевой поверхности подложки параллельно излучающей ее стороне, директоры выполнены в виде узких печатных проводников на лицевой поверхности подложки между возбудителем и излучающей ее стороной и расположены параллельно возбудителю, рефлектор расположен на обратной поверхности подложки между неизлучающей ее стороной и возбудителем, питающая микрополосковая линия выполнена на лицевой поверхности подложки, причем ее начало соединено с центральным проводником кабеля, а ее конец соединен с активным концом возбудителя, в нее введен прямоугольный печатный проводник с двумя парами противоположных сторон, расположенный на обратной поверхности подложки под питающей микрополосковой линией, при этом возбудитель и питающая микрополосковая линия выполнены коллинеарно, первая пара противоположных сторон прямоугольного печатного проводника параллельна питающей микрополосковой линии и симметрична относительно нее, первая сторона второй пары противоположных сторон прямоугольного печатного проводника расположена под началом питающей микрополосковой линии, расположенным в непосредственной близости от смежной относительно упомянутого начала боковой наклонной неизлучающей стороной подложки, а вторая сторона второй пары расположена под концом питающей микрополосковой линии, рефлектор выполнен в виде параллельного возбудителю узкого печатного проводника, причем активный конец возбудителя соединен с концом питающей микрополосковой линии непосредственно, а экранирующий проводник кабеля непосредственно соединен с первой стороной второй пары противоположных сторон прямоугольного печатного проводника, при этом ширина возбудителя в 2 раза больше ширины питающей микрополосковой линии, ширина рефлектора в 3 раза больше ширины питающей микрополосковой линии, ширина директоров в 2,5 раза больше ширины питающей микрополосковой линии, ширина прямоугольного печатного проводника в 4 раза больше ширины питающей микрополосковой линии, а длина возбудителя составляет (0,261-0,265)λ, длина ближайшего к возбудителю директора выбрана в пределах (0,273-0,277)λ, длина центрального директора составляет (0,285-0,289)λ, длина ближайшего к излучающей стороне подложки директора выбрана как (0,297-0,301)λ, длина рефлектора составляет (0,178-0,182)λ, расстояние между рефлектором и возбудителем выбрано в пределах (0,010-0,012)λ, расстояние между возбудителем и ближайшим к нему директором составляет (0,029-0,031)λ, расстояние между директором, ближайшим к возбудителю, и центральным директором выбрано как (0,031-0,033)λ, расстояние между центральным директором и директором, ближайшим к излучающей стороне подложки, составляет (0,023-0,025)λ, где λ - длина центральной волны рабочего диапазона.

На фиг.1 изображена предлагаемая директорная антенна в трех проекциях, на фиг.2 - теоретическая и экспериментальная частотные характеристики входного коэффициента стоячей волны напряжения К_СТ.U, на фиг.3 - экспериментальные диаграммы направленности по мощности F_E ² и F_H ² в плоскостях векторов напряженности электрического

и магнитного

полей на рабочей частоте f₀=1,8 ГГц.

Предлагаемая директорная антенна (фиг.1) содержит тонкую трапецеидальную диэлектрическую подложку 1 с лицевой 2 и обратной 3 поверхностями, имеющую параллельные друг другу излучающую 4 и неизлучающую 5 стороны, а также боковые наклонные неизлучающие стороны 6 и 7, коаксиальный кабель с центральным 8 и экранирующим 9 проводниками, возбудитель 10 с активным 11 и разомкнутым 12 концами, рефлектор 13, три директора 14, 15, 16, а также питающую микрополосковую линию 17 шириной W₁₇. При этом возбудитель 10 выполнен в виде узкого печатного проводника, шириной W₁₀, на лицевой поверхности 2 подложки 1 параллельно излучающей ее стороне 4, директоры 14, 15 и 16 выполнены в виде узких печатных проводников шириной соответственно W₁₄, W₁₅ и W₁₆, параллельных возбудителю 10, на лицевой поверхности 2 подложки 1 между возбудителем 10 и излучающей ее стороной 4. Рефлектор 13 выполнен в виде параллельного возбудителю 10 узкого печатного проводника, шириной W₁₃, на обратной поверхности 3 подложки 1 между неизлучающей ее стороной 5 и возбудителем 10. Питающая микрополосковая линия 17, имеющая начало 18 и конец 19, выполнена на лицевой поверхности 2 подложки 1 коллинеарно возбудителю 10. Прямоугольный печатный проводник 20, шириной W₂₀ и длиной L₂₀, с двумя парами противоположных сторон 21, 22 и 23, 24 расположен на обратной поверхности 3 подложки 1 под питающей микрополосковой линией 17, причем первая пара противоположных сторон 21, 22 проводника 20 параллельна питающей микрополосковой линии 17 и симметрична относительно нее, первая сторона 23 второй пары противоположных сторон печатного проводника 20 расположена под началом 18 питающей микроволновой линии 17, которое расположено в непосредственной близости со смежной относительно упомянутого начала 18 наклонной неизлучающей стороной 6 подложки 1. Вторая сторона 24 второй пары противоположных сторон проводника 20 расположена под концом 19 питающей микрополосковой линии 17. Энергия синусоидального источника СВЧ сигнала подводится (в режиме передачи) по коаксиальному кабелю, центральный проводник 8 которого гальванически соединен с началом 18 питающей микрополосковой линии 17. Экранирующий проводник 9 коаксиального кабеля гальванически соединен со стороной 23 печатного проводника 20, смежной относительно наклонной стороны 6 подложки 1. Конец 19 питающей микрополосковой линии 17 непосредственно соединен с активным концом 11 возбудителя 10.

Для обеспечения направленного излучения заявляемой директорной антенны и согласования ее с коаксиальным кабелем существенное значение имеют размеры и взаимное расположение рефлектора 13, возбудителя 10 директоров 14, 15 и 16, которые выбираются из соотношений:

- длина L₁₀ возбудителя 10 составляет (0,261-0,265)λ;

- длина L₁₄ ближайшего к возбудителю 10 директора 14 выбрана в пределах (0,273-0,277)λ;

- длина L₁₅ центрального директора 15 составляет (0,285-0,289)λ;

- длина L₁₆ ближайшего к излучающей стороне 4 подложки директора 16 выбрана как (0,297-0,301)λ;

- длина L₁₃ рефлектора 13 составляет (0,178-0,182)λ;

- расстояние S₂ между рефлектором 13 и возбудителем 10, отсчитываемое между смежными кромками этих узких печатных проводников, выбрано в пределах (0,010-0,012)λ;

- расстояние S₃ между возбудителем 10 и директором 14, отсчитываемое между смежными их кромками, составляет (0,029-0,031)λ;

- расстояние S₄ между директором 14 и центральным директором 15, отсчитываемое между смежными их кромками, выбрано как (0,031-0,033)λ;

- расстояние S₅ между центральным директором 15 и директором 16, отсчитываемое между смежными их кромками, составляет (0,023-0,025)λ, где λ - длина центральной волны рабочего диапазона частот. При этом расстояния S₁ между неизлучающей стороной 5 и смежной кромкой рефлектора 13, а также S₆ между излучающей стороной 6 и смежной кромкой директора 16 практически не влияют на излучение и согласование директорной антенны и выбираются из конструктивно-технологических требований реализации полосовых печатных плат так, чтобы выполнялись условия: S₁>W₁₃/2; S₆>W₁₆/2 (см., например, работу: Конструкторско-технологические основы проектирования полосковых микросхем. Под ред. И.П.Бушминского. - М.: Радио и связь, 1987. - 272 с.: ил.).

Толщина Н диэлектрической подложки 1, являющейся несущим конструктивным элементом директорной антенны, также практически не влияет на параметры излучения и учитывается при расчете длин L₁₀ и L₁₄, L₁₅, L₁₆ возбудителя 10 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 выбирать отечественные листовые фольгированные диэлектрики с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r и толщиной H, равными:

Менее существенное по сравнению с величинами L₁₀, L₁₄, L₁₅ и L₁₆, но все-таки ощутимое, влияние на согласование антенны с коаксиальным кабелем оказывают ширины W₁₃, W₁₀, W₁₄, W₁₅, W₁₆, W₁₇ и W₂₀ печатных полосковых проводников. Поскольку типовые значения волновых сопротивлений ρ₀ коаксиальных кабелей равны 50 или 75 Ом, то оказалось возможным обобщить проведенный заявителем статистический анализ влияния ширин и рекомендовать следующие их значения:

- ширина W₁₀ возбудителя 10 в 2 раза больше ширины W₁₇ питающей микрополосковой линии 17;

- ширина W₁₃ рефлектора 13 в 3 раза больше ширины W₁₇ питающей микрополосковой линии 17;

- ширины W₁₄=W₁₅=W₁₆ директоров 14, 15 и 16 в 2.5 раза больше ширины W₁₇ питающей микрополосковой линии 17.

Ширина W₂₀ прямоугольного печатного проводника 20 выбирается в 4 раза больше ширины W₁₇ питающей микрополосковой линии 17 для того, чтобы обеспечить высокую степень концентрации электромагнитного поля в диэлектрике подложки между проводниками 17 и 20 на участке, длиной L₂₀, и исключить нежелательное (паразитное) излучение этого фрагмента антенны. Упомянутый фрагмент необходим для подведения СВЧ сигнала от коаксиального кабеля к возбудителю 10 и должен по возможности оказывать минимальное влияние на директоры антенны. Поскольку длина L₂₀ прямоугольного печатного проводника 20, как правило, в (5…10) раз меньше длины L₁₀ возбудителя, то при выполнении соотношения W₂₀=4W₁₇, удовлетворяющего требованиям реализации микрополосковых линий [см., например, работу: Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. В.И.Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с., стр.59], влиянием этого фрагмента на излучение антенны можно пренебречь. В первую очередь, ширина W₁₇ питающей микрополосковой линии 17 рассчитывается по формулам (см. вышеупомянутый Справочник, стр.63):

или определяется по графикам рис.2.41 или 2.42 вышеупомянутого Справочника. При этом следует подчеркнуть, что найденные значения ширин печатных проводников будут автоматически удовлетворять таким конструкторско-технологическим требованиям, как: степень адгезии узких печатных проводников к подложке 1, стабильность реализации назначенных по расчету ширин по длине печатных проводников и другим.

Принцип действия заявляемой директорной антенны состоит в следующем.

Пусть к началу 18 питающей микрополосковой линии 17 через коаксиальный кабель от генератора с ЭДС E_s (на фиг.1 генератор условно не показан) и внутренним вещественным сопротивлением R_s подводится СВЧ сигнал, амплитуда U_s=E_s/2 которого остается неизменной в широкой полосе частот, включающей в себя требуемый рабочий диапазон частот f_н…f_в с центральной частотой f=(f_н+f_в)/2, которой соответствует вышеупомянутая длина λ=3·10⁸/f центральной волны рабочего диапазона. Этот сигнал, дойдя до конца 19 питающей микрополосковой линии 17, поступает на активный конец 11 возбудителя 10, второй конец 12 которого разомкнутый. Тем самым, в отличие от классических директорных антенн, имеющих дипольные возбудители (см., например, работу: Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. - М.: Связь, 1977, часть 2, глава 8), в заявляемой директорной антенне реализуется монопольное возбуждение, что, как следует из дальнейшего анализа, создает предпосылки для существенного сокращения размеров антенны в целом.

Рефлектор 13 и ближайший к возбудителю 10 директор 14 при правильной их настройке (т.е. при соответствующем подборе геометрических размеров W₁₀, L₁₀ возбудителя 10, W₁₃, L₁₃ рефлектора 13 и W₁₄, L₁₄ директора 14, а также расстояний S₂ и S₃ между ними) усиливают поток электромагнитной энергии в направлении директора 14. Усиление потока энергии в указанном направлении, которое ортогонально излучающей стороне 4 подложки 1, создает благоприятные условия для интенсивного возбуждения следующего директора 15 при надлежащей его настройке (т.е. также при соответствующем подборе его геометрических размеров W₁₅, L₁₅ и расстояния S₄). Оба директора 14 и 15, оказывая взаимное влияние друг на друга, создают заметную концентрацию электромагнитного излучения антенны в направлении, перпендикулярном излучающей стороне 4 подложки 1. Тем самым обеспечиваются благоприятные условия для интенсивного возбуждения третьего директора 16, ближайшего к излучающей стороне 4 подложки 1. В принципе, число директоров может быть произвольным. Однако с ростом числа директоров усложняется процесс настройки (поиска оптимальных геометрических размеров рефлектора, возбудителя и директоров, а также расстояний между ними). К тому же, рост степени концентрации излучения (т.е. направленных свойств) антенны замедляется по мере увеличения числа директоров. Поэтому печатные директорные антенны редко имеют число директоров, превышающее 3.

Конкретные величины геометрических размеров элементов предлагаемой директорной антенны, а также расстояний между ними (т.е. настройка антенны в целом) определяются в результате поиска оптимального решения соответствующей системы электродинамических уравнений, формируемых на основе метода наведенных электродвижущих сил при условии, что как рефлектор, так и все директоры являются пассивными, а активным, то есть запитанным от генератора, является только монопольный возбудитель. В результате после реализации печатной топологии с найденными оптимальными размерами и расстояниями антенна излучает максимум энергии в направлении директоров 14, 15 и 16, перпендикулярном излучающей стороне 4 подложки 1. Это направление является главным (основным) направлением излучения, в то время как противоположное направление (в сторону рефлектора 13) характеризуется незначительным уровнем излучения, являющегося нежелательным и характеризующим уровень «заднего» излучения при работе директорной антенны на передачу или помехозащищенность при ее работе на прием.

Эффективная концентрация излучения директорной антенны может быть достигнута лишь в сравнительно узком рабочем диапазоне частот f_н…f_в, так как при изменении длины волны изменяются полные комплексные сопротивления возбудителя, рефлектора и директоров, вследствие чего в последних изменяются амплитуды и фазы наведенных токов проводимости. При этом собственные комплексные сопротивления пассивных рефлектора 13 и директоров 14, 15 и 16 пересчитываются к активному концу 11 возбудителя 10. В результате СВЧ генератор, как принято говорить, «видит» со стороны активного конца 11 возбудителя 10 итоговое комплексное сопротивление антенны Z_A=R_A+jX_A, модуль |Х_A| реактивной составляющей которого удается минимизировать до (1…5)% от R_A за счет подбора всех ключевых размеров антенны.

Таким образом, входное сопротивление Z_A директорной антенны в рабочем диапазоне частот f_н…f_в будет практически вещественным: Z_A≈R_A. И если вещественная часть R_A этого сопротивления будет равна вещественному внутреннему сопротивлению R_s источника СВЧ сигнала на некоторой частоте f[Z_A(f)≈R_A(f)=R_s], то именно эта частота f будет центральной частотой. На этой частоте вся энергия генератора излучается посредством предлагаемой директорной антенны в окружающее пространство и входной К_ст.U антенны равен единице. При этом предлагаемая антенна формирует диаграмму направленности с хорошими направленными свойствами в направлении излучающей стороны 4 подложки 1.

=Выбор ключевых размеров антенны, указанных на фиг.1 и существенно влияющих на ее согласование и направленность, осуществляется по разработанному заявителем алгоритму поиска экстремума целевой функции F_ц многих переменных, в качестве которых фигурируют ключевые размеры фиг.1. Безразмерная целевая функция F_ц формируется как сумма модулей коэффициента отражения |Г_A|_i антенны на частотах f_i(i=1…N), взятых из интервала (f_н…f_в) с определенным шагом Δf:

причем:

где:

В свою очередь величины Г_А(f=f_i), i=1…N, рассчитываются с использованием методов интегральных уравнений и наведенных электродвижущих сил, описанных в работах:

- Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн / Б.А.Панченко, С.Т.Князев, Ю.Б.Нечаев и др. - М.: Радио и связь, 2002. - 256 с.;

- Чебышев В.В. Микрополосковые антенны и решетки в слоистых средах. - М.: Радиотехника, 2003. - 104 с.ил.

- Balanis C.A. Antenna Theory - Analysis and Design. John Wiley & Sons. 2005. 1118 р.

В результате нахождения минимума целевой функции (7) методом сопряженных градиентов, описанном в работе: Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 509 с., заявляемая директорная антенна при использовании отечественного стандартного диэлектрика ФАФ-4 (ε_r=2.5) толщиной Н=1.5 мм характеризуется для волнового сопротивления коаксиального кабеля ρ₀=75 Ом следующими, существенно влияющими на излучение электромагнитного поля размерами, указанными на фиг.1 и нормированными к длине центральной волны λ=3·10⁸/f рабочего диапазона частот f_н…f_в или толщине Н подложки 1:

Совокупность этих размеров максимизирует коэффициент D направленного действия и минимизирует реактивную составляющую |Х_A| входного сопротивления Z_A антенны, обеспечивая R_A≈R_s. При этом, в отличие от прототипа, за счет гальванического соединения центрального проводника 8 и экранирующего проводника 9 коаксиального кабеля соответственно с началом 18 питающей микрополосковой линии 17 и стороной 23 печатного проводника 20, а также за счет непосредственного соединения конца 19 питающей микрополосковой линии 17 с активным концом 11 возбудителя 10, обеспечивается распределение токов проводимости на поверхности возбудителя 10 в монопольном режиме. За счет этого удается расположить рефлектор 13 и директоры 14, 15 и 16 значительно ближе к возбудителю 10, чем достигается существенно меньший продольный размер L_A* (см. фиг.1) заявляемой директорной антенны в направлении максимального излучения, отсчитываемом от смежной с неизлучающей стороной 5 подложки 1 кромки рефлектора 13 до смежной с излучающей стороной 4 подложки 1 кромки рефлектора 16 (см. пример далее):

К тому же это способствует поддержанию условий эффективности компенсации реактивных составляющих наведенных токов и, следовательно, минимизации реактивной составляющей Х_A входного сопротивления Z_A в относительной полосе частот, достигающей 8%. При этом входной K_CT.U антенны, связанной с |Г_A| соотношением

остается в указанной относительной полосе частот Δf/f=(f_в-f_н)/f=0.08 ниже уровня 1.5 (K_CT.U≤1.5, фиг.2, позиция 25 - теоретическая характеристика).

Для экспериментального подтверждения работоспособности предлагаемой директорной антенны и достижения поставленной цели был изготовлен опытный образец с центральной частотой f=1.8 ГГц. Антенна реализована на диэлектрической подложке из материала ФАФ-4 (ε_r=2.5) толщиной Н=1.5 мм. Ключевые размеры антенны согласно фиг.1 определялись из соотношений (9) и для λ=3·10⁸/f=3·10⁸/1.8=16,7 см составили (в миллиметрах):

При этом использовался стандартный коаксиальный кабель РК-75-7-22 с волновым сопротивлением ρ₀=75 Ом.

Результаты экспериментальных исследований, выполненные по стандартным методикам в безэховых условиях соответствующей антенной лаборатории, представлены на фиг.2 и фиг.3. Входной К_CT.U заявляемой антенны (фиг.2, позиция 26, ромбики) измерен с использованием генератора «качающейся» частоты (свипп-генератора) на диапазон 2…4 ГГц с индикатором КСВН типа «Я2Р-67». Диаграммы направленности антенны по мощности F_E ² и F_H ² измерены на частоте f=1.8 ГГц с использованием клистронного генератора «Г3-22» и универсального микровольтметра-усилителя «В6-4», а также поворотных устройств по азимуту и углу места, обеспечивающих точность установки углов порядка ±1°, и представлены на фиг.3 (позиция 27 - для плоскости YOZ вектора

напряженности электрического поля, позиция 28 - для плоскости XOZ вектора

напряженности магнитного поля). На этой же фиг.3 в позиции 29 указаны направления осей координат X, Y, Z и отсчета углов θ и φ используемой для построения диаграммы направленности совмещенной декартово-сферической системы координат.

Представленные результаты с одной стороны подтверждают работоспособность заявляемой директорной антенны с монопольным питанием возбудителя 10 непосредственно от центрального проводника 8 коаксиального кабеля через короткий отрезок питающей микрополосковой линии 17 и пригодность ее для практического использования в относительной полосе частот (f_в-f_н)/f не менее 8%.

С другой стороны, эти результаты получены в антенне, имеющей продольный размер L*_A, в направлении максимального излучения (фиг.1), равный согласно формулы (10) и результатов (12) 47.5 мм, что примерно в 3.27 раза меньше того же размера у прототипа, равного согласно формулы (3) L_A=0.93λ=155.3 мм.

Таким образом, представленные результаты свидетельствуют, что предложенная компактная планарная, выполненная печатным способом директорная антенна имеет существенно меньший продольный размер L_A* в направлении максимального излучения: сокращение размера более чем в 3 раза. При этом за счет непосредственного возбуждения от генератора активного конца 11 монопольного возбудителя 10 через предельно короткий отрезок питающей микрополосковой линии 17 площадь W₂₀*L₂₀ прямоугольного проводника 20 весьма мала и не вносит заметного вклада в общий габарит антенны. К тому же, предлагаемая антенна, в отличие от прототипа, не содержит сплошного печатного рефлектора, соединенного с «землею» по всей поверхности прилегания, и поэтому ее окончательный продольный размер L_Σ в направлении максимального излучения превышает значение L*_A [формула (10)] лишь на величины S₁ и S₆ краевых полей до неизлучающей 5 и излучающей 4 сторон подложки 1 (фиг.1). В данном случае S₁=W₁₃/2=3.7 мм, S₆=W₁₆/2=3.1 мм. Это позволяет рекомендовать заявляемую директорную антенну с непосредственным питанием монопольного возбудителя для использования в устройствах телекоммуникаций СВЧ диапазона.

Claims (1)

1. Директорная антенна, содержащая тонкую трапецеидальную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, имеющую параллельные друг другу излучающую и неизлучающую стороны, а также боковые наклонные неизлучающие стороны, коаксиальный кабель с центральным и экранирующим проводниками, возбудитель с активным и разомкнутым концами, рефлектор и три директора, питающую микрополосковую линию, при этом возбудитель выполнен в виде узкого печатного проводника на лицевой поверхности подложки параллельно излучающей ее стороне, директоры выполнены в виде узких печатных проводников, параллельных возбудителю, на лицевой поверхности подложки между возбудителем и излучающей ее стороной, рефлектор расположен на обратной поверхности подложки между неизлучающей ее стороной и возбудителем, питающая микрополосковая линия выполнена на лицевой поверхности подложки, причем ее начало соединено с центральным проводником кабеля, а ее конец соединен с активным концом возбудителя, отличающаяся тем, что в нее введен прямоугольный печатный проводник с двумя парами противоположных сторон, расположенный на обратной поверхности подложки под питающей микрополосковой линией, при этом возбудитель и питающая микрополосковая линия выполнены коллинеарно, первая пара противоположных сторон прямоугольного печатного проводника параллельна питающей микрополосковой линии и симметрична относительно нее, первая сторона второй пары противоположных сторон прямоугольного печатного проводника расположена под началом питающей микрополосковой линии, которое расположено в непосредственной близости со смежной относительно упомянутого начала боковой наклонной неизлучающей стороной подложки, а вторая сторона второй пары расположена под концом питающей микрополосковой линии, рефлектор выполнен в виде параллельного возбудителю узкого печатного проводника, причем активный конец возбудителя соединен с концом питающей микрополосковой линии непосредственно, а экранирующий проводник кабеля непосредственно соединен с первой стороной второй пары противоположных сторон прямоугольного печатного проводника, при этом ширина возбудителя в 2 раза больше ширины питающей микрополосковой линии, ширина рефлектора в 3 раза больше ширины питающей микрополосковой линии, ширина директоров в 2,5 раза больше ширины питающей микрополосковой линии, ширина прямоугольного печатного проводника в 4 раза больше ширины питающей микрополосковой линии, а длина возбудителя составляет (0,261÷0,265)λ, длина ближайшего к возбудителю директора выбрана в пределах (0,273÷0,277)λ, длина центрального директора составляет (0,285÷0,289)λ, длина ближайшего к излучающей стороне подложки директора выбрана как (0,297÷0,301)λ, длина рефлектора составляет (0,178÷0,182)λ, расстояние между рефлектором и возбудителем выбрано в пределах (0,010÷0,012)λ, расстояние между возбудителем и ближайшим к нему директором составляет (0,029÷0,031)λ, расстояние между директором, ближайшим к возбудителю, и центральным директором выбрано как (0,031÷0,033)λ, расстояние между центральным директором и директором, ближайшим к излучающей стороне подложки, составляет (0,023÷0,025)λ, где λ - длина центральной волны рабочего диапазона.

Images