Щелевая антенна

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических системах различного назначения в качестве самостоятельной сверхширокополосной антенны, либо в качестве базового элемента антенной решетки. Техническим результатом является расширение рабочего диапазона частот, при этом в 18-кратной полосе рабочих частот КСВН не превышает 2,5. Щелевая антенна содержит диэлектрическую подложку и металлический экран. В металлическом экране выполнена щелевая линия, делящая металлический экран на две идентичные части, при этом щелевая линия первоначально представляет собой прямолинейный участок, который далее расширяется по экспоненциальному закону. В одной из частей металлического экрана, параллельно оси щелевой линии, выполнен прямоугольный паз, образующий совместно с прямолинейным участком щелевой линии и металлическим экраном трехпроводную полосковую линию. На конце прямоугольного паза установлено ферритовое кольцо, которое касается внешней окружностью образующей щелевой линии, при этом длина прямолинейного участка щелевой линии выбрана не менее внешнего диаметра ферритового кольца. 2 ил.

 

Щелевая антенна относится к области антенной техники и может быть использована в радиотехнических системах различного назначения в качестве самостоятельной сверхширокополосной антенны, либо в качестве базового элемента антенной решетки.

Известна щелевая антенна (Э.И. Радиотехника сверхвысоких частот, г. Москва, №37, стр.7, 1980 г.), содержащая диэлектрическую подложку, металлический экран, в котором выполнена щелевая линия, делящая его на две идентичные части и экранированное симметрирующее устройство, при этом щелевая линия расширяется по экспоненциальному закону

y=±0,125e^px,

где у - полурасстояние между краями щелевой линии;

х - координата, совпадающая с продольной осью щелевой линии и имеющая точку отсчета от конца ее прямолинейного участка;

Р - коэффициент определяет широкополосность антенн.

Такое выполнение щелевой антенны делает ее потенциально сверхширокополосной. Однако реализация потенциально достижимой полосы рабочих частот в значительной степени определяется широкополосностью системы возбуждения.

Существенным недостатком рассматриваемой щелевой антенны является ограниченность полосы рабочих частот, обусловленная рабочей полосой частот устройства согласования и симметрирования.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является выбранная в качестве прототипа щелевая антенна[Е.Thiele and A.Tafiove "FD - TD Analysis of Vivaldi Flazed Horn Antennas and Arrays". ANTENNAS AND PROPAGATION, VOLUME 42, NUMER ,MAX 1994 г.,стр.633],состоящая из диэлектрической подложки и металлического экрана, в котором выполнена щелевая линия, делящая его на две идентичные части и линию питания, при этом щелевая линия состоит из прямолинейного участка длиной l, расширяющегося далее по экспоненциальному закону

y=±0,1^8,42x, где

y - полурасстояние между краями щелевой линии;

х - координата, совпадающая с продольной осью щелевой линии и имеющая точку отсчета от конца ее прямолинейного участка.

Линия питания в этой щелевой антенне выполнена в виде микрополосковой линии, имеющей общую со щелевой линией заземляющую пластину, а проводник выполнен на обратной стороне диэлектрической подложки и пересекает под прямым углом прямолинейный участок щелевой линии. С целью обеспечения широкополосности системы возбуждения микрополосковая линия заканчивается разомкнутым шлейфом специальной формы, а прямолинейный участок щелевой линии - замкнутым в виде петли шлейфом.

Существенным недостатком этой щелевой антенны является ограниченность полосы рабочих частот по сравнению с потенциально достижимой, что по-прежнему обусловлено полосой частот системы возбуждения. Это ограничивает применение щелевой антенны в широкополосной аппаратуре.

Техническая задача изобретения - расширение рабочего диапазона частот.

Задача достигается тем, что в известную антенну, содержащую диэлектрическую подложку и металлический экран, в котором выполнена щелевая линия, делящая его на две идентичные части и линию питания, при этом щелевая линия представляет собой прямолинейный участок длиной l, который далее расширяется по экспоненциальному закону

y=±0,1e^8,42x, где

y - полурасстояние между краями щелевой линии;

х - координата, совпадающая с продольной осью щелевой линии и имеющая точку отсчета от конца ее прямолинейного участка, согласно изобретению в одной из частей металлического экрана, параллельно оси щелевой линии, выполнен прямоугольный паз, образующий совместно с прямолинейным участком щелевой линии и металлическим экраном трехпроводную полосковую линию, и введено ферритовое кольцо, установленное на конце прямоугольного паза, касаясь внешней окружностью образующей щелевой линии и конца прямоугольного паза, при этом длина l прямолинейного участка щелевой линии выбирается не менее внешнего диаметра D ферритового кольца, т.е. l>D.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенная щелевая антенна отличается наличием новых элементов - выполнен в одной из частей металлического экрана, параллельно оси щелевой линии, прямоугольный паз, образующий совместно с прямоугольным участком щелевой линии и металлическим экраном трехпроводную полосковую линию и введено ферритовое кольцо, установленное на конце прямоугольного паза, касаясь внешней окружностью образующей щелевой линии и конца прямоугольного паза, при этом длина l прямоугольного участка щелевой линии выбирается не менее внешнего диаметра D ферритового кольца, т.е. l>D.

Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения «новизна».

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенные элементы известны, однако введение их в щелевую антенну указанным образом и с указанными связями позволяет обеспечить ей такое новое свойство, как расширение полосы рабочих частот.

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства.

Сущность изобретения поясняется посредством фиг.1-2 и последующего описания.

На фиг.1 приведен общий вид щелевой антенны.

На фиг.2 приведен график зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) от частоты.

Конструктивно щелевая антенна (фиг.1) выполнена на диэлектрической подложке 1 с односторонним металлизированным покрытием, выполняющим роль металлического экрана 2. В металлическом экране 2 выполнена щелевая линия, делящая металлический экран 2 на две идентичные части, при этом щелевая линия состоит из прямолинейного участка 3 длиной l, и расширяющегося далее участка 4 по экспоненциальному закону

y=±0,1e^8,42x, где

y - полурасстояние между краями щелевой линии;

х - координата, совпадающая с продольной осью щелевой линии и имеющая точку отсчета от конца ее прямолинейного участка.

В одной из частей металлического экрана 2, параллельно оси щелевой линии, выполнен прямоугольный паз 5, образующий совместно с прямоугольным участком щелевой линии и металлическим экраном 2 трехпроводную полосковую линию. На конце прямоугольного паза 5 установлено ферритовое кольцо 6 [например, марки 30ВЧ2 типа К5-3-1], касаясь внешней окружностью образующей щелевой линии 7 и конца прямоугольного паза 5, при этом длина l прямолинейного участка 3 щелевой линии выбрана не менее внешнего диаметра D ферритового кольца 6, т.е. l>D.

Щелевая антенна работает следующим образом

При подведении от генератора сигналов высокочастотной энергии к трехпроводной линии в ней возбуждается квази-ТЕМ волна, распространяющаяся вдоль щелей между металлическими экранами 2 и возбуждающая щелевую линию с расходящейся щелью 4. Теоретически такая система возбуждения обладает сверхширокой полосой рабочих частот, однако наличие в месте соединения трехпроводной полосковой и щелевой линий ступенчатой неоднородности, эквивалентной сосредоточенной емкости, шунтирует линию в этом месте, что приводит к рассогласованию ее с генератором сигналов и, следовательно, к ограничению полосы рабочих частот щелевой антенны. В частности, результаты измерения КСВН щелевой антенны, приведенные на фиг.2 (штрихпунктирная линия), показали, что коэффициент перекрытия рабочей полосы частот (отношение верхней граничной частоты f_в к нижней граничной частоте f_н) по уровню КСВН≤3,0 в этом случае составляет не более 8, т.е. f_в/f_н≤8.

Установка ферритового кольца 6 на конце прямоугольного паза 5 таким образом, что его внешняя окружность касается образующей щелевой линии и конца прямоугольного паза 5 компенсирует отражения от неоднородности и улучшает КСВН щелевой антенны в полосе рабочих частот.

КСВН щелевой антенны с введенным ферритовым кольцом существенно зависит от марки феррита и относительно его местоположения на прямоугольном пазе 5.

Экспериментально установлено, что наилучшее согласование щелевой антенны с питающей линией обеспечивается в том случае, когда ферритовое кольцо 6 установлено на конце прямоугольного паза 5, касаясь внешней окружностью щелевой линии 7 и конца прямоугольного паза 5. При этом согласование обеспечивается в полосе рабочих частот с соотношением f_в/f_н=18:1. При смещении ферритового кольца 6 в сторону металлического экрана 2 от образующей щелевой линии 7 и от конца прямоугольного паза 5, КСВН щелевой антенны в области верхних частот ухудшается. При изменении марки феррита от 30ВЧ2 до 20ВЧ2 КСВН антенны изменяется незначительно, а при ферритовом кольце марки 50ВЧ2 и более - КСВН ухудшается существенно.

Результаты измерения КСВН щелевой антенны с введенным ферритовым кольцом 6, установленным на конце прямоугольного паза 5, приведенным на фиг.2 (сплошная линия), показывает, что при выбранном значении марки ферритового кольца 30ВЧ2 и установке его на конце прямоугольного паза 5 таким образом, что внешняя окружность его касается образующей щелевой линии 7 и конца прямоугольного паза 5 обеспечивается КСВН не более 2,5 в полосе рабочих частот с отношением 18:1, в то время как для антенны-прототипа КСВН не более 2,5 обеспечивается в полосе рабочих частот 6:1.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет обеспечить согласование щелевой антенны с питающим фидером в 18-кратной полосе рабочих частот, что позволяет применять ее в широкополосных приемных устройствах, одновременно повышая их эффективность.

Щелевая антенна, содержащая диэлектрическую подложку, металлический экран, в котором выполнена щелевая линия, делящая его на две идентичные части и линию питания, при этом щелевая линия представляет собой прямолинейный участок длиной l, который далее расширяется по экспоненциальному закону

у±0,1е^8,42х,

где у - полурасстояние между краями щелевой линии;

х - координата, совпадающая с продольной осью щелевой линии и имеющая точку отсчета от конца ее прямолинейного участка,

отличающаяся тем, что в одной из частей металлического экрана, параллельно оси щелевой линии выполнен прямоугольный паз, образующий совместно с прямолинейным участком щелевой линии и металлическим экраном трехпроводную полосковую линию, введено ферритовое кольцо, установленное на конце прямоугольного паза, касаясь внешней окружностью образующей щелевой линии и конца прямоугольного паза, при этом длина l прямолинейного участка щелевой линии выбирается не менее внешнего диаметра D ферритового кольца, т.е. l>D.