Невыступающая антенна для приема несинусоидальных волн

(56) РадиотехникаЭкспресс-информаци 17 В.Н.Лозовскийсверхвысоких частот; я,1986, Ь 17, с.1-5.5 2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ И К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(54) НЕВЫСТУПАЮЩАЯ АНТЕННА ДЛЯ ПРИЕМА НЕСИНУСОИДАЛЪНЫХ ВОЛН (57) Использование: невыступающая антенна для приема несинусоидальных волн предназначена для приема импульсных электромагнитных полей и для контроля переходных процессов антенн, Сущность: не- выступающая антенна для приема несинусоидальных волн содержит диэлектрическую подложку 14 а одной стороне которой расположен металлический экран 2, а надругой - 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, ЯИзобретение относится к радиотехнике,в частности к технике антенн, и может бытьиспользовано для приема импульсных элек-злектрома)нитных полей, в том числе безчастотного зайолнения, в также для контра;ля переходных процессов антенн радиочастотного диапазона,Известна многокольцевая микрополосковая антенна, содержащая первую пластину из диэлектрического материала,несколько концентрически расположенныхразнесенных колец из металла, размещенных на верхней поверхности первой диэлектрической пластины. Присоединительныевысокочастотные устройства размещены нанижней поверхности первой диэлектрической пластина.для передачи высокочастотного сигнала к кольцам и от них.Вторую пластину иэ диэлектрическогоматериала устанавливают рядом с первойтак, что верхняя поверхность второй пластины расположена рядом с нижней поверхностью первой пластины, На нижнейповерхности второй диэлектрической пластины размещен экранный слой из металла.Размер колец выбирают таким образ 9 м, чтополоса пропускания каждого кольца поуровню примерно 3 дБ перекрывает частьполосы пропускания по уровню 3 дБ соседнего кольца.На фиг, 1 приведена структурная схемаантенны; на фиг. 2 - эквивалентная схемафрагмента антенны; на фиг. 3 и 4 - временные формы импульсов на выходе макета четырехкольцевой антенны.Антенные элементы, И/д 1-9/д 1 ч, выполненные в виде концентрических колец, соединены друг с другом через сопротивления221-Ь и, обусловленные взаимными свя.зями соседних колец. Они также соединяются через резонансные четырехполюсники, спередаточными характеристиками Н 1(р)Н 1 ч(р), с микрополосковой линией, согласованной. с сопротивлением нагрузки илигенератора (р-)а -оператор Лапласа; вкруговая частота).Рассмотрим работу антеннц 1 в режимеприема.Сигнал, передаваемый в нагрузку 2 н отдельным 1-м антенным элементом (все остальные Резонансные четырехполюсникинагружены на выходе на согласованные нагрузки), имеет видОгн(р)- Н(р) К(р) Р(р)где Н (р) - передаточная характеристика-горезонансного четырехполюсника;К(р) - чувствительность -го антенногоэлемента с учетом взаимного влияния между 1-м антенным элементом и другими антенными элементами;р(р) - спектральная плотность принимаемого сигнала электромагнитного поля.Подобрав коэффициенты передачи реактивных четырехполюсников таким образом, чтобыН 1(Р 1) К 1(Р 1)/ =Н 2(Р 2) К 2(Р 2) ==Нч рм) . Км(рн),где р 1, р 2 и ри - 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/ О(р)ф сопз 1, р 6(р 1, рм),где О(р) - чувствительность антенны.Диапазон частот полосы пропускания антенны, необходимый для неискаженного приема сигнала, определяется из соотношения7 р и) О и/ р и) ба ЙА,Ж 1 огде в 1; а 2 - верхняя и нижняя границы частотного диапазона, необходимого для неискаженного приема сигналаэлектромагнитного поля;А - коэффициент, определяющий качество приема, обычно близкий к единице.Длины отрезков микрополосковой линии, соединяющей нагрузку с резонансными четырехполюсниками, подбираютсятаким образом, цтобы выполнялось соотношениеаг 9 О(р) ф М щ,где к - вещественная постоянная.Таким образом, мы получили, что чувствительность антенны удовлетворяет условиюО(р) сопз 1аг 9/О(Р)/ = к ш РЮГР 1 в Р 2)Это условие является условием неискаженного приема сигналов электромагнитногополя, энергия которых заключена в диапазоне частот.Для неискажаемого приема импульсовэлектромагнитного поля с временем нарастания в единицы наносекунд и длительностью импульсов сотни наносекунд, полосапропускания антенны должна составлятьн =д/ти 2 д",в = 0,35/ гф,где 1 н - нижняя граничная частота полосыпропускания антенны;1 в - верхняя граничная частота полосыпропускания антенны;д -неравномерность вершиньимнульсов;т - длительность импульсов,тф - длительность импульсов,Для рассматриваемого случая нижняяграничная частота полосы пропускания должна составлять менее трехсот килогерц, а верхняя граничная частрта полосы пропусканиядолжна составлять более нескольких сот мегагерц, учитывал что радиусы колец определяются следующей приближенной формулой:г= сд2 когде г - средний радиус кольца;сд - скорость света в диэлектрике,10 - резонансная частота кольца.Радиус наименьшего кольца долженбыть менее нескольких дециметров, радиуснаибольшего кольца должен быть более нескольких десятков метров,На практике реализовать антенну 1,принимающую без существенньх искажений сверхширокополосные сигналы электромагнитного поля, практическиневозможно. Это ограничение вызвано каквозрастанием габаритов антенны, так и возникновением различных паразитных резонансов в распределительной полосковойлинии. Обычно применяется антенна с несколькими. антенными элементами, выполненными в виде концентрических колец. иполоса пропускания такой антенны пропор-.циональна количеству антенных элементов иобычно не превышает десяти процентов, хотяполоса пропускания одного антенного эле. мента не превышает одного-трех процентов,Как пример конкретного примененияможно привести антенную решетку, состоящую из аналогичных антенн 5, как примераналогичной антенны можно привести также антенну б,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству являетсямногокольцевая микрополосковая: антенна4,.содержащая пластину из диэлектрического материала, несколько концентрическирасположенных разнесенных колец из металла, размещенных на верхней поверхности диэлектрической пластины. На нижнейповерхности диэлектрической пластиныразмещен экранный слой из металла, Кольца между собой соединены с помощьотрансформаторов импеданса, центральноекольцо соединено с помощью зонда с внутренним проводником коаксиального фидера, внешний проводник которого соединенс экранным слоем, Расстояние между соседними кольцами выбирают равным половинедлины волны в диэлектрикеширина колецдолжна составлять также половину длиныволны в диэлектрике,Антенные элементы /ЧА 1-ЮА 1 ч, выполненные в виде концентрических колец, соединены друг с другом с помощью трансформаторов сопротивлений с передаточными функциями Н 21(Р), Н 32(Р) " Ни 1 ч(Р)Рассмотрим работу антенны в режиме приема,Геометрия антенны определяется тем обстоятельством, что ширина щелей между антенными элементами, а также ширина самих антенных элементов приблизительно равна Д, 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 выражениемОрН(Р) = 01(Р) + Н 21(Р), 02(Р) + Н 32(Р) ХН 21(р)03(Р) ++ НИ М(Р)Н 21(Р)0 К(Р),где 01(р), 02(р)0 и(р) - чувствительность отдельных антенных элементов,Эквивалентный параметр, определя ощий широкополосность каждого кольцаР = а;/Ь,где р - безразмерный па рэ метр 1-го кольца;а - внутренний радиус -го кольца;Ь - 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 трех- десяти 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, нэ 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 возмокным 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.Указанная цель достигается тем, что в невыступающую антенну для приема несинусоидальных волн, содержащую пластину иэ диэлектрического материала, несколько концентрически расположенных разнесен ных колец из металла, размещенных на верхней поверхности диэлектрической пластины, на нижней поверхности этой пластины размещен плоский экранный слой из металла, центральное кольцо антенны сое динено с центральным проводником коаксиального. кабеля, внешний проводник которого соединен с экранным слоем, введены дополнительно резисторы, соединяющие кромки соседних колец, а также 15 существенно уменьшены размеры антенны, Резисторы равномерно расположены по периметру щелей между соседними кольцами, Количество резисторов выбирается из соотношений 20 Лр/11,где Апи - минимальная длина волны, соответствующая максимальной частоте, вспектре принимаемого сигнала; 25р - . периметр щели,й - количество резисторов.Вп+1 ЯВпЯь 1;Вы+1 Я+1 Вп 1 Яьгде Вп+1 - полное сопротивление параллельно соединенных резисторов, соединяющих 1+2 и+1 кольцами;В- полное сопротивление параллельно соединенных резисторов, соединяющих+1 и 1 кольна; 35Я - площадь кольца;Яи - площадь 1-1 кольца;Я+1 - площадь 1+1 кольца.Размер антенны не должен превышать по ловины минимальный длины волны, соответствующей максимальной частоте в.спектре принимаемого сигнала.Сопоставительный анализ с известнымпоказывает, что предлагаемое устройствоотличается наличием новых элементов - дополнительных резисторов, э также существенным уменьшением размеров,Сравнение предлагаемого устройства сдругими техническими решениями показывает,что при введении резисторов в указанной связи с остальными элементамиантенна проявляет новые свойства, что выражается в существенном расширении полосы пропускания, а также в уменьшенииразмеров антенны. 55Невыступающая антенна для приеманесинусоидальных волн содержит пластину1 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 экранным слоем 3.Невыступающая антенна для приема несинусоидальных волн работает следующим образом,Электрическая компонента электромагнитного поля линейной поляризации возбуждает на клеммах отдельных колец электродвижущую силу, величина которой определяется соотношением+- р.е = ЬяЕ(1); Ьц- ЬдЬцо где Ю - электродвижущая сила на клеммах 1-го антенного кольца;Ьц - эквивалентное расстояние между кольМми и экранным слоем;Е- напряженность электрической компоненты электромагнитного поля;Ьц, - единичный вектор нормали к экранному слою.Четырехполюсники, образованные соединением резистора Яю- и конденсатора Сьт, а также резистора Вл и конденсатора Сн 1 представляют собой секции фильтра нижних частот с передаточными функциями Нн(р) и Н 1+(р) соответственно,Нэ эквивалентной схеме применены следующие обозначения:Вп - полное сопротивление резисторов, соединяющих и 1+1 кольца;Впь - полное сопротивление резисторов, соединяющих 1-1 икольца; С+1 - емкость 1+1 кольца; Сн - емкость 1-1 кольца;ц - электродвижущая сила, наводимая на клеммах 1 кольца;Ъ - входное сопротивление антенного элемента, образованного кольцом,Передаточные функции четырехполюсников определяются следующими выражениями:1/Р С - 1 Вп+1 +1 Р С -1/Р С+1Значения Вп и Сн 1 подбирают таким образом, чтобы коэффициент передачи Нн(р) имел значение 3 дБ на частоте соответствующей наименьшей частоте полосы пропускания 1-го антенного элемента, образованного 1-м кольцом с входным сопротивлением 21, Значения Вп 1-1 и С 1-1 подбирают таким образом, чтобы коэффициент переда10 1732407 чи Нь 1(р) имел значение 3 дБ на частоте соответствующей максимальной частоте полосы пропускэния (-го антенного элемента,Поставленную цель достигают; разбивая на поддиапазоны необходимый диапа зон частот, для неискаженного приема несинусоидальных волн с широким частотным спектром, добиваются, чтобы чувствительность антенн во всем диапазоне была приблизительно одинакова и таким обра зом происходит достижение поставленной цели.Электродвижущая сила, наводимая на центральном кольце 15е 1 - Ьд Е 1(со),где Ь д - действующая высота, равная эффективной толщине диэлектрической пластины;Е 1 (со) - спектральная плотность нор мальной компоненты, принимаемого электрического поля, определяется из выражения 30, где Ф(Е(1 - преобразование Фурье временного сигнала Е(1),Электродвижущая сила, наводимая накольце й Ь дЕ( (в)где Е (а) - спектральная плотность нормальной компоненты, принимаемого электрического поля, определяемая выражением Е (в)= Ф(Е(1-Ц,где Ф(Е(т - %( - преобразование Фурье временного сигналу Е(1 - и );т( - временная задержка, учитывающая разное время прихода сигнала скольца до нагрузки, а также разное время.возбуждения отдельных колец.Сопротивление нагрузки Вн равно волновому сопротивлению фидера.С 5, Св, С 7 - взаимные емкости междукольцами, определяемые конструкцией игабаритами и габаритами антенны,81- В 2- йз - полное сопротйвление между кольцами,Ъ - входное сопротивлениекольца,определяемое выражением й 1+1 ЬрСь=) 2( з:1/рСь (ф,где с - постоянная, определяемая из сравнения теоретических и экспериментальных результатов;р =в - оператор Лапласа; С - емкость, образованная кольцом и:.д экранным слоем;АЙ( - активная составляющая входного н сопротивления кольца.При расчетах вклад отдельных источников электродвижущей силы в нагрузку рассчитывается отдельно, результат суммируется. Поэтому если рассчитывается вклад) источника ЭДС, то зэ сопротивление 2( принимает верхнее выражение, спрэведливов при-), а сопротивления 2( остальных колец описываются выражением, справедливым при1 ),Сигнал на выходе антенны 0 вых (со) 01(СО) + 0;2 (СО) +. Лви миответствующаяспектре сигнал 5й - толщина диэлектрической пластины;1- расстояние между резисторами по периметру щелей.На фиг, 3 приведены временные формы импульсов на выходе макета четырехколь цевой антенны, выполненной на основании оптимизации по вйшеизложенному алгоритму, методом последовательных приближений, длительностью 30 нс (кривая 1) и длительностью 90 нс (кривая 2), 55Сравнивая кривые 1 на фиг, 3 и 4, а также кривые 2 на фиг. 3 и 4, можно сделать вывод, что антенна удовлетворяет поставленной цели,й диаметр большого кольца; нимальная длина волны, сомаксимальной частоте в а; Временной сигнал на выходе антенныОвух(т) = ф (Овых (ж) ),20 гдв ф. (Овых (в) ), - обратное преобразование Фурье спектральной плотности сигнала на выходе антенны Овых (в) На основании численных исследований получены следующие соотношения: 25Ян 1 р Вр -"Вн.1 3+В 3;+1 РбЛгпи;О Лвраг;30иЛщиЛеигде В, Вн.1 - полные суммарные сопротивления резисторов между+2 и +1, а также между 1 и . 1 кольцами соответственно, ну мерация колец производится от центрального; Проводились экспериментальные исследования макетного образца четырехколь.цевой антенны, предназначенной дляприема импульсов с длительностью фронтаменее 2 нс и длительностью импульсов бо-лее 100 нс с требованием, чтобы постояннаяспада вершины импульсов была более 300нс.Получены значения суммарных сопротивлений. В 1= Ом: Вг =12,5 Ом; Вз =37,5 Ом;Вн =50 0 м,Размеры концентрических колец: дляпервого кольца 01 = 2 мм, Ог = 20 мм; длявторого кольца 01 = 30 мм, Ог = 80 мм; длятретьего кольца 0 - - 90 мм, Ог = 180 мм; длячетвертого кольца О =. 190 мм, Ог = 300 мм.Расстояние между соседними кольцамисоставило 5 мм.Толщина диэлектрического слоя составила 2 мм, применен фольгированный стеклотекстолит типа СФ-50-2 мм.Диаметр всей антенны составил 300 мм.Суммарное сопротивление В состоялоиз трех параллельно включенных резисторов типа С 2-10-0,25-300 Ом .5%: Вг - изшести резисторов С 2-10-0,25-75 Ом + 5%,Вз - из восьми резисторов С 2-10-0,25-300 ОмРезисторы размещались равномерно попериметру щелей,Экспериментальные исследования проводились на аттестованной поверочной установке.Проводимые испытания, как следует изфиг. 3 и 4, подтвердили достижение поставленной цели,Формула изобретенияНевыступающая антенна для приеманесинусоидальных волн, содержащая диэлектрическую подложку, на одной сторонекоторой расположен неметаллический экран, а на другой - концентрически расположенные полосковые проводники в видеколец, и питающий коаксиальный кабель,внутренний проводник которого подключенк центральному кольцу, а внешний к металлическому экрану, о т л и ч а ю щ а я с я тем,что, с целью расширения рабочей полосычастот и уменьшения габаритов, введенырезисторы, расположенные вдоль радиусовколец равномерно по их периметру и подключенные к краям соседних колец, приэтом размеры антенны и сопротивления резисторов определены из соотношенийВнрВ р-1; р+р 1, 1= 2, 3, , К:Вн;р+1 В р: О 0,5 Л и.а, и,Л.: р/й Л .игде р- 1, р, р+ 1 - площади соответственно (1-1) го, 1-го и (+1)-го колец;13 14 1732407 10 1Г йь Вне - суммарное сопротивление всех резисторов, подключенных соответственно -му и (+1-му кольцам, и +1-му и (+2-му кольцам,Й - общее число резисторов, включенных между соседними кольцами;.О - внешний диаметр наибольшего кольца; б - ширина щели между соседнимикольцами;Ь - толщина диэлектрической подложки;5- расстояние между резисторами попериметру щели;р - периметр щели;,Ап- минимальная рабочая длинаволны,1732407 оставитель В,Лозовскийехред М.Моргентал Корр Редактор Г,Ге е р Л. Бески Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Га на, 10 аказ 1587 Тираж Подписное ВКИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб;, 4/5