Гибридная щелевая антенна

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

Известна щелевая антенна (E.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 равные 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 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 - замкнут шлейфом в виде петли.

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

Наиболее близкой к заявленному изобретению является, выбранная в качестве прототипа, щелевая антенна (Патент РФ №2269187 C2, H01Q 1/38, H01Q 9/28), 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 /, 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 прямолинейного участка.

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.

Существенным недостатком этой щелевой антенны является ограниченность полосы рабочих частот, в пределах которой коэффициент усиления составляет не менее 6 дБ, по сравнению с потенциально достижимой, что обусловлено полосой рабочих частот раскрыва щелевой линии. Это ограничивает использование щелевой антенны в широкополосной аппаратуре.

Технической задачей изобретения является расширение рабочего диапазона частот при сохранении в этой полосе значений коэффициента усиления не менее 6 дБ.

Задача достигается тем, что в известную антенну, содержащую диэлектрическую подложку и металлический экран, в котором выполнена щелевая линия, делящая ее 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 прямолинейного участка, 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, 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, согласно изобретению к концам расширяющейся щелевой линии подключены симметричные электрические вибраторы конической формы с углом при вершине α=20°, размещенные на диэлектрической подложке с ε=10 с размахом плеч , где λ - максимальная длина волны рабочего диапазона.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенная гибридная щелевая антенна отличается наличием новых элементов - к концам расширяющейся щелевой линии подключены симметричные электрические вибраторы конической формы с углом при вершине α=20°, размещенные на диэлектрической подложке с ε=10 с размахом плеч , где λ - максимальная длина волны рабочего диапазона.

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 гибридную щелевую антенну указанным образом и с указанными связями позволяет обеспечить ей такое новое свойство, как расширение полосы рабочих частот.

Изобретение соответствует критерию «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 радиосвязи.

На фиг.1 приведен общий вид гибридной щелевой антенны.

На фиг.2 приведен график зависимости коэффициента усиления (G, дБ) от частоты.

Фиг.1: 1 - диэлектрическая подложка, 2 - металлический экран, 3 - прямолинейный участок щелевой линии, 4 - расширяющийся по экспоненциальному закону участок щелевой линии, 5 - прямоугольный паз, 6 - ферритовое кольцо, 7 - образующая щелевой линии, 8 - конец щелевой линии, 9 - вибраторы.

Гибридная щелевая антенна (фиг.1) включает диэлектрическую подложку 1 с односторонним металлизированным покрытием, выполняющим роль металлического экрана 2. В металлическом экране 2 выполнена щелевая линия, делящая металлический экран 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 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 тип К5-3-1), касаясь 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. Концы щелевой линии 8 нагружены на симметричные электрические вибраторы 9 конической формы с углом при вершине α=20°, с размахом плеч , где λ - максимальная длина волны рабочего диапазона.

Гибридная щелевая антенна работает следующим образом.

При подведении от генератора сигналов высокочастотной энергии к гибридной щелевой антенне в ней возбуждается поверхностная волна, которая распространяется между ее проводником 7 образующей линии. Излучение электромагнитной волны тесно связано с проводником 7 антенны. В области, где расстояние между проводником мало по сравнению с длиной волны в свободном пространстве, волны сильно связаны и когда расстояние между ними увеличивается, взаимодействие становится все более слабым, и волна излучается от антенны. Это случается когда расстояние между проводниками на краю становится больше половины длины волны (λ_н/2), где λ_н - наинизшая длина волны.

На более низких частотах гибридная щелевая антенна может рассматриваться как неоднородная фидерная линия с довольно большими потерями на излучение, с помощью которой запитывается симметричный вибратор. Волновое сопротивление подобно фидерной линии в точке запитки симметричного вибратора существенно больше, чем сопротивление излучения симметричного вибратора, однако благодаря значительной погонной емкости конического вибратора (а значит - пониженному волновому сопротивлению), его входное сопротивление на частотах ниже 3 ГГц существенно меньше и поэтому гибридная щелевая линия с вибратором конической формы обладает лучшей характеристикой сопротивления в низкочастотной области.

Результаты измерения коэффициента усиления (G) гибридной щелевой антенны, приведенные на фиг.2 (сплошная линия) показали, что коэффициент перекрытия рабочей полосы частот (отношение верхней границы частоты f_в к нижней граничной частоте f_н) по уровню G≤6 дБ в этом случае составляет 12:1, т.е. f_в/f_н=12, в то время как у антенны прототипа коэффициент усиления (фиг 2 - пунктирная линия) не более 6 дБ обеспечивается в полосе рабочих частот f_в/f_н =3.

Экспериментально установлено, что наибольший коэффициент усиления гибридной щелевой антенны обеспечивается при установке на расширяющейся щелевой линии симметричных электрических вибраторов конической формы с углом при вершине α=20°, с размахом плеч , где λ - максимальная длина волны рабочего диапазона.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет расширить рабочий диапазон антенны, при этом коэффициент усиления (G) в 12-кратной полосе рабочих частот не менее 6 дБ, что позволяет применять ее в широкополосных приемных устройствах, одновременно повышая их эффективность.

Гибридная 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 y=±0,1е^8,42x, где y - полурасстояние между краями щелевой линии; x - координата, совпадающая с продольной осью щелевой линии и имеющая точку отсчета от конца прямолинейного участка, 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, 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, отличающаяся тем, что к концам расширяющейся щелевой линии подключены симметричные электрические вибраторы конической формы с углом при вершине α=20°, размещенные на диэлектрической подложке с ε=10 с размахом плеч $$L=\mathrm{0,4}\sqrt{\frac{2}{\epsilon +1}}\lambda$$ , где λ - максимальная длина волны рабочего диапазона.