Невыступающая антенна для приема несинусоидальных волн
Использование: невыступающая антенна для приема несинусоидальных волн предназначена для приема импульсных электромагнитных полей и для контроля переходных процессов антенн. Сущность: невыступающая антенна для приема несинусоидальных волн содержит диэлектрическую подложкуччйа одной стороне которой расположен металлический экран 2, а на другой - концентрически расположенные полосковые проводники в виде колец 3. Питающий коаксиальный кабель внутренним проводником 4 подключен к центральному кольцу, а внешним 5 - к металлическому экрану 2. Расширение рабочей полосы частот и уменьшение габаритов антенны обеспечивается введением резисторов 6, расположенных вдоль радиусов колец 3 равномерно по их периметру и подключенных к краям соседних колец 3, и выбором размеров антенны и сопротивления резисторов согласно формуле изобретения. 4 ил. is Ы C
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ОУ) (lO (И)5 Н 01 Q 1/38
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4695158/09 (22) 22.05.89 (46) 07.05.92, Бюл. М 17 (72) Г.П.Бурмистров и В.Н.Лозовский (53) 621.396.67(088.8) (56) Радиотехника сверхвысоких частот;
Экспресс-информация, 1986, f4 17, с.1-5. (54) НЕВЫСТУПАЮЩАЯ АНТЕННА ДЛЯ
flPNEMA НЕСИНУСОИДАЛЪНЫХ ВОЛН (57) Использование: невыступающая антенна для приема несинусоидальных волн предназначена для приема импульсных электромагнитных полей и для контроля переходных процессов антенн. Сущность: невыступающая антенна для приема несинусоидальных волн содержит диэлектрическую подложку 14а одной стороне кото:рой расположен металлический экран 2, а на другой — концентрически расположенные полосковые проводники в виде колец 3. Питающий коаксиальный кабель внутренним проводником 4 подключен к центральному кольцу, а внешним 5 — к металлическому экрану 2. Расширение рабочей полосы час.тот и уменьшение габаритов антенны обеспечивается. введением резисторов 6, расположенных вдоль радиусов колец 3 равномерно по их периметру и подключенных к краям соседних колец 3, и выбором размеров антенны и сопротивления резисторов согласно формуле изобретения. 4 ил. ф
1732407
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике антенн, и может быть использовано для приема импульсных элек- злектрома1нитных полей, в том числе без частотного зайолнения, в также для контра» ля переходных процессов антенн радиочастотного диапазона.
Известна многокольцевая микрополосковая антенна, содержащая первую пластину из диэлектрического материала, несколько концентрически расположенных разнесенных колец из металла, размещен-. ных на верхней поверхности первой диэлектрической пластины. Присоединительные высокочастотные устройства размещены на нижней поверхности первой диэлектрической пластина.для передачи высокочастотного сигнала к кольцам и от них.
Вторую пластину иэ диэлектрического материала устанавливают рядом с первой так, что верхняя поверхность второй пластины расположена рядом с нижней поверхностью первой пластины. На нижней
)поверхности второй диэлектрической пластины размещен экранный слой из металла.
Размер колец выбирают таким образом, что полоса пропускания каждого кольца по уровню примерно 3 дБ перекрывает часть полосы пропускания по уровню 3 дБ соседнего кольца.
На фиг, 1 приведена структурная схема антенны; на фиг. 2 — эквивалентная схема фрагмента антенны; на фиг. 3 и 4 — временные формы импульсов на выходе макета четырехкольцевой антенны.
Антенные элементы, И/А1-УЧд1ч, выполненные в виде концентрических колец, соединены друг с другом через сопротивления .Z21-Ztu и-1, обусловленные взаимными свя.зями соседних колец. Они также соединяются через резонансные четырехполюсники, с передаточными характеристиками Н1(р)His(p), с микрополосковой линией, согласованной. с сопротивлением нагрузки или генератора (р-)а -оператор Лапласа; вкруговая частота).
Рассмотрим работу антенны 1 в режиме приема.
Сигнал, передаваемый в нагрузку 2н отдельным 1-м антенным элементом (все остальные резонансные четырехполюсники нагружены на выходе на согласованные нагрузки), имеет вид zv(p)» - H (p) . (р),p(p), где Hi (p) — передаточная характеристика!-ro резонансного четырехполюсника;
Kl(p) — чувствительность l-го антенного элемента с учетом взаимного влияния между I-м антенным элементом и другими антенными элементами; ,о(р) — спектральная плотность принимаемого сигнала электромагнитного поля.
Подобрав коэффициенты передачи реактивных четырехполюсников таким образом, чтобы
Н1(р1) К1(р1)/ =! H2(p2) K2(p2)l = ...=Ни pN) . Kg(pg), где р1, рг и р11 — резонансные частоты антенных элементов, а также подобрав крутизну спада передаточной характеристики резонансных четырехполюсников так, чтобы на границах частотных диапазонов отдельных элементов спад составлял бы 3 д, от максимального значения получим
/D(p)f = const, р6(р1, рм), где D(p) — чувствительность антенны.
Диапазон частот полосы пропускания антенны, необходимый для неискаженного приема сигнала, определяется из соотношения (gp {и) и/) p (cv)d ru)) ЙА, N1 о где а1; аг — верхняя и нижняя границы частотного диапазона, необходимого для неискаженного приема сигнала электромагнитного поля;
А — коэффициент, определяющий качество приема, обычно близкий к единице.
Длины отрезков микрополосковой линии, соединяющей нагрузку с резонансными четырехполюсниками, подбираются таким образом, чтобы выполнялось соотношение
arg D(p) = km, где k — вещественная постоянная.
Таким образом, мы получили, что чувствительность антенны удовлетворяет условию
D(p) = const;
arglD(p)I = ц) ра(р1, рг).
Это условие является условием неискаженного приема сигналов электромагнитного поля. энергия которых заключена в диапазоне частот.
Для неискажаемого приема импульсов электромагнитного поля с временем нарастания в единицы наносекунд и длительностью импульсов сотни наносекунд, полоса пропускания антенны должна составлять н =д/ти-2 z; в =0,35! ф, где fH — нижняя граничная частота полосы пропускания антенны;
fa — верхняя граничная частота полосы пропускания антенны; д--неравномерность вершины имнульсов;
1732407 тц — длительность импульсов, тф — длительность импульсов, Для рассматриваемого случая нижняя граничная частота полосы пропускания должна составлять менее трехсот килогерц, а верхняя граничная частрта полосы пропускания должна составлять более нескольких сот мегагерц, учитывал что радиусы колец определяются следующей приближенной формулой: г= сд
2 о где r — средниЙ радиус кольца; сд — скорость света в диэлектрике, fp — резонансная частота кольца.
Радиус наименьшего кольца должен быть менее нескольких дециметров, радиус наибольшего кольца должен быть более нескольких десятков метров.
На практике реализовать антенну 1, принимающую без существенньх искажений сверхширокополосные сигналы электромагнитного поля, практически невозможно. Это ограничение вызвано как возрастанием габаритов антенны, так и возникновением различных паразитных резонансов в распределительной полосковой линии. Обычно применяется антенна с несколькими антенными элементами, выполненными в виде концентрических колец. и полоса пропускания такой антенны пропор-. циональна количеству антенных элементов и обычно не превышает десяти процентов; хотя полоса пропускания одного антенного эле. мента не превышает одного-трех процентов.
Как пример конкретного применения можно привести антенную решетку, состоящую из аналогичных антенн 5, как пример аналогичной антенны можно привести также антенну 6, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является многокольцевая микрополосковая: антенна
4, содержащая пластину из диэлектрического материала, несколько концентрически расположенных разнесенных колец из металла, размещенных на верхней поверхности диэлектрической пластины. На нижней поверхности диэлектрической пластины размещен экранный слой из металла. Кольца между собой соединены с помощьо трансформаторов импеданса, центральное кольцо соединено с помощью зонда с внутренним проводником коаксиального фидера, внешний проводник которого соединен с экранным слоем, Расстояние между соседними кольцами выбирают равным половине длины волны в диэлектрике,.ширина колец должна составлять также половину длины волны в диэлектрике, Антенные элементы WA1-WAN, выполненные в виде концентрических колец, соединены друг с другом с помощью трансформаторов сопротивлений с передатОчными функциями H21(p), H32(p)i ..., HN N-1(p).
Рассмотрим работу антенны в режиме приема, Геометрия антенны определяется тем обстоятельством, что ширина щелей между антенными элементами, а также ширина самих антенных элементов приблизительно равная, где - длина волны в диэлектрике, соответствующая центральной частоте полосы частот антенны. Магнитные токи соседних щелей при этом текут в одинаковом направлении и антенна работаег как эквидистантная антенная решетка.
Сигнал на нагрузке описывается выражением
ОрН(р) = 01(р) + Н21(р) . 02(р) + Н32(р) Х
pl = Ж/bl, где pi — безразмерный параметр!-го кольца; ai — внутренний радиус i-ro кольца; bt — внешний радиус 1-го кольца. Учитывая, что наименьшему значению параметра соответствует наименьшая полоса пропускания, то для увеличения полосы пропускания необходимо увеличивать габариты первого кольца, тем самым увеличить полосу пропускания антенны. Полосу пропускания можно изменять в пределах трехдесяти процентов, причем с ростом полосы пропускания возрастают габариты антенны. Учитывая вышеизложенные рассуждения,, габариты антенны, состоящей из нескольких колец, на частотах менее трехсот килогерц должны быть более нескольких сот метров, на частотах в сотни мегагерц размеры должны быть около одного метра, Известная антенна наиболее перспективна на частотах порядка нескольких гигагерц, частотный диапазон полосы пропускания ограничен несколькими десятками процентов, расширение частотного диапазона в больших пределах не представляется возмо>кным-для такой конструкции, Целью изобретения является расширение полосы пропускания антенны, при сущестзенном уменьшении размеров, для неискажаемого приема протяженных импульсных сигналов электромагнитного поля, имеющих широкий частотный спектр. 1732407 Указанная цель достигается тем, что в невыступающую антенну для приема несинусоидальных волн, содержащую пластину из диэлектрического материала, несколько концентрически расположенных разнесенных колец из металла, размещенных на верхней поверхности диэлектрической пластины, на нижней поверхности этой пластины размещен плоский экранный слой из металла, центральное кольцо антенны соединено с центральным проводником коаксиального. кабеля, внешний проводник которого соединен с экранным слоем, введены дополнительно резисторы, соединяющие кромки соседних колец, а также существенно уменьшены размеры антенны, Резисторы равномерно расположены по периметру щелей между соседними кольцами. Количество резисторов выбирается из соотношений Rml. » р/!!, где А — минимальная длина волны, со ответствующая максимальной частоте, в спектре принимаемого сигнала; р —. периметр щели, N — количество резисторов. Rnl+1Si > RnISI-1; Rnl+1SI+1 RnlSI ГдЕ Rnl+1 — ПОЛНОЕ СОПрОтИВЛЕНИЕ ПараЛлельно соединенных резисторов, соединяющих i+2 и!+1 кольцами; RnI — полное сопротивление параллельно соединенных резисторов, соединяющих ! +1 и i кольца; SI — площадь l кольца; 51-1 — площадь i-1 кольца; SI+1 — площадь !+1 кольца. Размер антенны не должен превышать по° ловины минимальный длины волны, соответствующей максимальной частоте в .спектре принимаемого сигнала. Сопоставительный анализ с известным показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых элементов — дополнительных резисторов, а также существенным уменьшением размеров, Сравнение предлагаемого устройства с другими техническими решениями показывает, что при введении резисторов в указанной связи с остальными элементами антенна проявляет новые свойства, что выражается в существенном расширении полосы пропускания, а также в уменьшении размеров антенны. Невыступающая антенна для приема несинусоидальных волн содержит пластину 1 из диэлектрического материала, несколько колец 2, экранный слой 3, резисторы 4, соединяющие соседние кольца 2, коаксиальный разьем 5, центральный проводник 6 которого соединен с центральным кольцом 2, внешний проводник 7 соединен с экран5 ным слоем 3. Невыступающая антенна для приема несинусоидальных волн работает следующим образом, Электрическая компонента электромаг10 нитного поля линейной поляризации возбуждает на клеммах отдельных колец электродвижущую силу, величина которой определяется соотношением « о 15 Е! = hgE(t); hg - hghgp, где @ — электродвижущая сила на клеммах l-ro антенного кольца; hg — эквивалентное расстояние между кольями и экранным слоем; 20 Е(т)- напряженность электрической компоненты электромагнитного поля; hg, — единичный вектор нормали к экранному слою. Четырехполюсники, образованные сое25 динением резистора Snl-1 и конденсатора Сь1, а также резистора Rnl и конденсатора С +1 представляют собой секции фильтра нижних частот с передаточными функциями Нь1(р) и Н!+1(р) соответственно, 30 На эквивалентной схеме применены следующие обозначения: R I — полное сопротивление резисторов, соединяющих i и !+1 кольца; RnI-1 — полное сопротивление резисто35 ров, соединяющих i-1 и l кольца; С!+1 — емкость i+1 кольца; Сь1 — емкость l-1 кольца; @ — электродвижущая сила, наводимая на клеммах кольца; ZI — входное сопротивление антенного элемента, образованного кольцом. Передаточные функции четырехполюсников определяются следующими выражениями: „() - " С!Я !+1+1 Р С!— 1/Р С!+1 Значения Rnl и Сн.1 подбирают таким образом, чтобы коэффициент передачи Нн-1(р) имел значение 3 дБ на частоте соответствующей наименьшей частоте полосы пропускания !-го антенного элемента. обра. зованного !-м кольцом с входным сопротивЛЕНИЕМ ZI. ЗНаЧЕНИя Rnl-1 И С1-1 ПОдбИраЮт таким образом, чтобы коэффициент переда10 1732407 чи Н(-1(р) имел значение 3 д6 на частоте соответствующей максимальной частоте flo" лосы пропускэния!-го антенного элемента. Поставленную цель достигают; разбивая на поддиапазоны необходимый диапа- 5 зон частот, для неискаженного приема несинусоидальных волн с широким частотным спектром, добиваются, чтобы чувствительность антенн во всем диапазоне была приблизительно одинакова и таким обра- 10 зом происходит достижение поставленной цели. Электродэижущая сила, наводимая на центральном кольце 81 - hcI Et(N), где h д — действующая высота, равная эффективной толщине диэлектрической пластины; Е1 (в) — спектральная плотность нор- 20 мальной компоненты, принимаемого электрического поля, определяется из выражения 30 kpc» (Рс «ч ®т< «pcs+ pcd(„«pca«v4«крс «1«(к рсв«Я(тв«рсв11 "в Е в(вз1 КРс«(4 РС«1((в«pcc)(te«Рс в1 . q(Q а K<«kp КР K+(KY+K «Ко 40 Ун Йм У YAУ8 YА+vв / R1+1/kpCi. i =j 55 Yas ° Y «« Е1 (в) cD(E(t)),, где cD(E(t)) — преобразование Фурье временного сигнала E(t), Электродвижущая сила, наводимая на I кольце Q Ь дЕ((в) где Е1 (а) - спектральная плотность нормальной компоненты, принимаемого электрического поля, определяемая выражением Е((В)= CD(E(t-Ц)), где Ф(Е(т - r )) — преобразование Фурье временного сигналу E(t - г(); т(— временная задержка, учитывающая разное время прихода сигнала с I кольца до нагрузки, а также разное время .возбуждения отдельных колец. Сопротивление нагрузки RH равно волновому сопротивлению фидера. Сь, С6, С7 — взаимные емкости между кольцами, определяемые конструкцией и габаритами и габаритами антенны, Rq- Rz- Вз — полное сопротйвление между кольцами. Zi — входное сопротивление I кольца, определяемое выражением 1/рС(, 1ф, где k — постоянная, определяемая из сравнения теоретических и экспериментальных результатов; р = j в — оператор Лапласа; С(— емкость, образованная кольцом и:. х экранным слоем; « Ri — активная составляющая входного сопротивления кольца. При расчетах вклад отдельных источников электродвижущей силы в нагрузку рассчитывается отдельно, результат суммируется. Поэтому если рассчитывается вклад J источника ЭДС, то зэ сопротивление Z1 принимает верхнее выражение, спрэведливоЕ при I - J, а сопротивления Zi остальных колец описываются выражением, справедливым при 11 ), Сигнал на выходе антенны 0вых (m) - 01 (г(р) + О:2 (йр) + +0з (в)+04(со) где01 (ж) kP С1+Уа+У k8 E«(««1I «pC«(Y «РСв1) (чр«ьрсв1ГМс«1«(рсМ„1(«««рсв«т««крсв1 ИЕ«(о1 k C«K «рс 1(Y,«рсв О«(ц) ("Рсв Щ Рс«1(к «Рсв1 Рс в(««РЮ(М Рсв K«« УА- У1+ рС5; v —, R> ув - рсг+ — в— Y Y v,vk . У; У + рсва Уз+рСт: Сн, . Уз+ р Ст+р CH У2- —, Rg Уз1732407 Уд1- Уг+ рСв; Yei-РСз+ + C +р К1 = 1срС4(Уз + pC7XY2+рС6)(У1+ рС5), Кр рСз(У2 + рСв)(Уг + рС5)(УЗ + РС7 + +pCA4); Кя - рС2(У1+ рСЗ)((У2+ рСв+ рЩУЗ+ 10 +рС7+ kpC4) + КрС4(УЗ+ pC7)): К2 pC1+ Ун ВУ - (pC2+ Y1+ рС1)(Уг + рСв)(Уз+ pC7+ + kpC4); Kg pCg(kpC4 + Уз + рС7) + (Уг + рСв + 15 +pC2+ У1+ pC5)); KQ 1(рС4(Уз + pC7)(Y2 + pC6+ pC2 + У1+ +p С5) Временной сигнал на выходе антенны цв.ух(т) = Ф (uàûõ (ж) ), 20 гдв Ф. (UBb1x {сО) ), — обратное преобразование Фурье спектральной плотности сигнала на выходе антенны 0 x (а) 1На основании численных исследований получены следующие соотношения: 25 Ян.1 pi > RIpI — 1 Rl+1 S I + 1 > RI Sl r PI +1- PI CI « Л min D <Лпыг; 11 « mIn 1« т)п 7 где RI, RI+1 — полные суммарные сопротивления резисторов между!+2 и 1+1, а также между 1 и 1+1 кольцами соответственно, ну- 35 мерация колец производится от центрального; pI,pI+1, pI — 1 — площади I, 1+1, 1-1 колец, соответственно; о " ширина щели между соседними 40 кольцами; D — внешний диаметр большого кольца; ilmIn — МИНИМаЛЬНаЯ ДЛИНа ВОЛНЫ, СОответствующая максимальной частоте в спектре сигнала; 45 h — толщина диэлектрической пластины; 1 — расстояние между резисторами по периметру щелей. На фиг, 3 приведены временные формы импульсов на выходе макета четырехколь- 50 цевой антенны, выполненной на основании оптимизации по вйшеизложенному алгоритму, методом последовательных приближений, длительностью 30 нс (кривая 1) и длительностью 90 нс (кривая 2). 55 Сравнивая кривые 1 на фиг. 3 и 4, а также кривые 2 на фиг. 3 и 4, можно сделать вывод, что антенна удовлетворяет поставленной цели, 12 Проводились экспериментальные исследования макетного образца четырехколь.цевой антенны, предназначенной для приема импульсов с длительностью фронта менее 2 нс и длительностью импульсов.бо- ( лее 100 нс с требованием, чтобы постоянная спада вершины импульсов была более 300 нс. Получены значения суммарных сопротивлений: В1= ®Ом; 62=12,50м; Вз=37,50м; Ян =500м, Размеры концентрических колец: для первого кольца D1 = 2 мм, D2 = 20 мм; для второго кольца DI = 30 мм, D2 = 80 мм; для третьего кольца D I - 90 мм, Dz = 180 мм; для четвертого кольца DI =- 190 мм, D2 = 300 мм. Расстояние между соседними кольцами составило 5 мм. Толщина диэлектрического слоя составила 2 мм, применен фольгированный стеклотекстолит типа СФ-2-50-2 мм. Диаметр всей антенны составил 300 мм. Суммарное сопротивление RI состояло из трех параллельно включенных резисторов типа С2-10-0,25-300 Ом +5 j,; 82 — из шести резисторов С2-10-0,25-75 Ом + 5,, Вз — из восьми резисторов С2-10-0,25-300 Ом 5о Резисторы размещались равномерно по периметру щелей. Экспериментальные исследования проводились на аттестованной поверочной установке. Проводимые испытания, как следует из фиг. 3 и 4, подтвердили достижение поставленной цели. Формула изобретения Невыступающая антенна для приема несинусоидальных волн, содержащая диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен неметаллический экран, а на другой — концентрически расположенные полосковые проводники в виде колец, и питающий коаксиальный кабель, внутренний проводник которого подключен к центральному кольцу, а внешний к металлическому экрану, отличающаяся тем, что, с целью расширения рабочей полосы частот и уменьшения габаритов, введены резисторы, расположенные вдоль радиусов колец равномерно по их периметру и подключенные к краям соседних колец, при этом размеры антенны и сопротивления резисторов определены из соотношений RI- t Р > RI Р I -1, pal+1 > Р1, 1= 2, 3, ..., К: Вн-1, Р + 1 > RI Р ; 0 < 0,5 il mIn ° С1. h,1«kmIn, p/N «А п где p I — 1, pI, p I + i — площади соответственно (1-1)-го, 1-го и (1+1)-ro колец; 14 1732407 10! I (I ! Даг.2 Вь Ri+1 — суммарное сопротивление всех резисторов, подключенных соответственно ! -му и (!+1 -му кольцам, и (!+1 -му и (!+2 -му кольцам; N — общее число резисторов, включенных между соседними кольцами;. Π— внешний диаметр наибольшего кольца; d — ширина щели между соседними кольцами; h — толщина диэлектрической подложки; 5 - расстояние между резисторами по периметру щели; р - периметр щели;, Аmln — минимальная рабочая длина волны. 1732407 2,Ж ЯУ ФР Fd ЮР юО Составитель В.Лозовский Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Л. Бескид Редактор Г.Гербер Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 1587 Тираж Подписное ВКИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб;, 4/5
