Широкополосная плоская антенна

Изобретение относится к области радиотехники, в частности антенной техники, и может быть использовано в составе систем радиосвязи, устанавливаемых на подвижных носителях. Технический результат - уменьшение габаритов антенны. Для этого в антенне, содержащей два плеча П₁ и П₂, выполненных в виде меандровой структуры, состоящей из вертикальных элементов, соединенных горизонтальными проводниками, плечи П₁ и П₂ размещают по обеим сторонам диэлектрического основания так, что в его плоскости вокруг продольной оси одно плечо довернуто относительно другого на 180 градусов, при этом i-ый вертикальный элемент первого плеча образует с i-ым вертикальным элементом второго плеча синфазно излучающую пару, а соседние пары плеч включены противофазно. 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники, в частности антенной техники и может быть использовано в составе систем радиосвязи, устанавливаемых на подвижных носителях.

Одной из основных тенденцией развития антенной техники для современных средств мобильной радиосвязи является расширение полосы рабочих частот приемо-передающих антенн при одновременном уменьшении их массогабаритных показателей.

Известна плоская антенна, наклеиваемая на стекло автомобиля [1]. Ее недостатком является узкая полоса рабочих частот.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является антенна, описанная в а.с. №1497668 Н 01 Q 9/00 SU опубл.30.07.89, Бюл.№28, принятая за прототип.

Схема антенны-прототипа представлена на фиг.1, где обозначено:

1 - симметричный вибратор;

2 - горизонтальный проводящий элемент;

3 - вертикальный проводящий элемент;

П₁, П₂ - плечи вибратора.

Антенна-прототип содержит симметричный вибратор с входными зажимами 1, плечи которого П₁, П₂ выполнены в виде меандровой структуры (фиг.1), состоящей из горизонтальных 2 и вертикальных 3 проводящих элементов. Горизонтальные проводящие элементы 2 имеют одинаковую длину, а длины вертикальных проводящих элементов 3 выбирают из соотношения:

где: m - длина i-го элемента 3, n - длина элементов 2, i - номер элемента 3, D≥3.

Антенна работает следующим образом. При подаче на внутренние концы плеч 1 высокочастотного сигнала происходит возбуждение антенны. Распределение тока зависит от закона изменения коэффициента замедления вдоль плеч 1. Указанный коэффициент замедления может изменяться, если горизонтальные проводящие элементы 2 имеют одинаковую длину, а вертикальные проводящие элементы 3 - изменяющуюся. При найденной зависимости (1) антенна излучает в широкой полосе частот.

Действительно, для эффективного излучения на низких частотах, которым соответствуют максимальные длины волн (λ_max), необходимо, чтобы общая длина антенны была соизмерима с λ_max/2. Кроме этого, исполнение вертикальных проводящих элементов 3 в соответствии с выражением (1) приводит к тому, что высоты первого и i-го вертикального элемента 3 должны различаться в i^D раз. Например, при D=3 пятый элемент должен быть больше первого в 125 раз. Если, например, первый элемент 3 имеет длину 1 см, то пятый должен быть равен 125 см. Большие габариты антенны существенно ограничивают ее функциональные возможности при размещении антенны на подвижном носителе.

Недостатком антенны-прототипа являются ее большие габариты.

Для устранения указанного недостатка в антенне, содержащей два плеча, выполненных в виде меандровой структуры, состоящей из вертикальных элементов, соединенных горизонтальными проводниками, согласно изобретению, плечи размещают по обеим сторонам диэлектрического основания так, что в его плоскости вокруг продольной оси одно плечо повернуто относительно другого на 180 градусов, при этом i-ый вертикальный элемент первого плеча образует с i-ым вертикальным элементом второго плеча синфазно излучающую пару, а соседние пары плеч включены противофазно.

На фиг.2 изображена схема заявляемой антенны, где обозначено:

П₁, П₂ - плечи вибратора;

1, 2 - плоские вертикальные элементы, соединенные горизонтальными проводниками;

3 - диэлектрическое основание;

4 - источник возбуждения.

Плечи П₁ и П₂ антенны выполнены из вертикальных плоских элементов 1 и 2, соединенных горизонтальными проводниками, они идентичны, но развернуты относительно друг друга на 180 градусов и располагаются по разные стороны диэлектрического основания 3 (для наглядности, размеры i-ых вертикальных элементов плеч П₁ и П₂ выполнены разными по высоте). Источник возбуждения 4 подсоединяют со стороны более коротких плоских вертикальных элементов 1 и 2. Стрелками указаны направления токов в плечах антенны П₁ и П₂. Ширина диэлектрического основания 3 (Н_MAX) равна высоте наибольшего вертикального элемента и определяется как

где λ_MAX - длина волны на нижней рабочей частоте, λ_MIN - длина волны на верхней рабочей частоте,

- среднегеометрическая длина волны.

Все вертикальные i-e плоские вертикальные элементы 1 и 2 обоих плеч П₁ и П₂ образуют систему связанных неэкранированных полосковых линий. Токи в i-й паре текут в одну сторону (синфазное включение проводников), а в соседних парах токи текут в противоположных направлениях (противофазное включение проводников). Используя известные методы расчета потерь на распространение в полосковых линиях [2], минимизируют потери в i-й паре и максимизируют потери на распространение в соседних парах путем задания соответствующих расстояний между синфазными вертикальными элементами 1 и 2 и противофазными парами вертикальных элементов 1 и 2. Этим достигается повышение эффективности излучения на резонансной частоте i-й пары плоских вертикальных элементов 1 и 2 и уменьшение влияния на их характеристики излучения соседних пар.

Если ширина плоских элементов 1 и 2 значительно больше толщины основания 3, то длина основания (L_П) может быть определена через параметры структуры плеч антенны, а именно:

где S - «период» структуры, S=W+S₁+S₂ (W - ширина плоских вертикальных элементов, S₁ - смещение плоских вертикальных элементов, расположенных на противолежащих сторонах полотна антенны; S₂ - расстояние между внутренними краями противолежащих плоских вертикальных элементов; H_min=λ_MIN/4 - минимальная высота; τ=Н_i-1/Н_i - коэффициент приращения размера плоских вертикальных элементов).

Антенна работает следующим образом. При включении источника возбуждения 4 каждая пара синфазных плоских вертикальных элементов обоих плеч П₁ и П₂ эффективно излучает в области собственных резонансных частот. Относительная независимость синфазных пар друг от друга расширяет полосу рабочих частот антенны в сторону низких частот, так как на низких частотах погонное индуктивное сопротивление полосковой линии незначительно, а результирующее изотропное электромагнитное поле создается суммой парциальных полей всех плоских вертикальных элементов 1 и 2. На высоких частотах эффективно излучают начальные (со стороны источника возбуждения 4) участки антенны. Последующие участки практически не излучают из-за высокого погонного индуктивного сопротивления (эффект частотной самоотсечки).

При одинаковых амплитудах токов в элементах 1 и 2 осуществляется изотропное излучение электромагнитного поля. Изотропность излучения каждой пары плоских вертикальных элементов 1 и 2, необходимая для формирования круговой диаграммы направленности в заданной полосе частот, обеспечивается относительно слабой связью соседних пар и их различием по размерам (величина плоских вертикальных элементов соседних пар образует геометрическую прогрессию со знаменателем τ˜0,87. При таком значении τ высота первого плоского вертикального элемента отличается от высоты шестнадцатого плоского вертикального элемента всего в 10 раз). На фиг.4 и 5 представлены результаты измерений макета антенны в диапазоне 20-2000 МГц, имеющего следующие численные значения:

- количество плоских вертикальных элементов одного плеча - 17;

- высота первого плоского вертикального элемента H_MIN=24 мм;

- высота полотна антенны H_MAX=240 мм;

- длина полотна антенны L_П=288 мм.

Источники информации

1. Антенна на стекле автомобиля, №3738226, ФРГ, от 24.05.89 №21

2. Справочник по элементам полосковой техники /Под ред. А.Л.Фельдштейна, М.: Связь, 1979, стр.57.

3. А.с.SU, №1497668, Н 01 Q 9/00 опубл.30.07.89, Бюл. №28 - прототип.

Широкополосная плоская антенна, содержащая два плеча, выполненные в виде меандровой структуры, состоящей из вертикальных элементов, соединенных горизонтальными проводниками, отличающаяся тем, что плечи размещают по обеим сторонам диэлектрического основания так, что в его плоскости вокруг продольной оси одно плечо повернуто относительно другого на 180°, при этом i-ый вертикальный элемент первого плеча образует с i-ым вертикальным элементом второго плеча синфазно излучающую пару, а соседние пары плеч включены противофазно.