Елемент зв’язку циліндричного діелектричного резонатора з несиметричною смужковою лінією

Реферат: Елемент зв'язку циліндричного діелектричного резонатора з несиметричною смужковою лінією передбачає наявність: відрізка несиметричної смужкової лінії, циліндричного діелектричного резонатора та електромагнітного зв'язку між ними. Резонатор розташовується в отворі, виконаному у діелектричній підкладці та заземленій пластині смужкової лінії, так що вісь його симетрії лежить у площині заземленої пластини і перпендикулярна напрямку поширення енергії вздовж лінії. UA 81403 U (54) ЕЛЕМЕНТ ЗВ'ЯЗКУ ЦИЛІНДРИЧНОГО ДІЕЛЕКТРИЧНОГО РЕЗОНАТОРА З НЕСИМЕТРИЧНОЮ СМУЖКОВОЮ ЛІНІЄЮ UA 81403 U UA 81403 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Корисна модель належить до антенної техніки та пристроїв НВЧ і може бути використана як схема живлення одноелементної діелектричної резонаторної антени (ДРА). Також може бути використана як елемент смугових фільтрів НВЧ. Відомий елемент зв'язку циліндричного діелектричного резонатора (ДР) з мікросмужковою лінією, за якого резонатор розміщується поряд з металевою смужкою на діелектричній підкладці лінії (безпосередньо на ній або на певній висоті відносно підкладки) так, що вісь його симетрії перпендикулярна заземленій пластині лінії [1, 2]. Спільними елементами конструкції відомого елемента зв'язку з корисною моделлю є відрізок мікросмужкової лінії передачі та діелектричний резонатор. Недоліком такої конструкції є наявність паразитного випромінювання відрізка лінії, оскільки смужка лінії знаходиться безпосередньо поряд з резонатором і випромінює частину електромагнітної енергії, яка передається нею. Відомий елемент зв'язку циліндричного діелектричного резонатора з мікросмужковою лінією, за якого смужка лінії та резонатор знаходяться по різні боки від заземленої пластини лінії, причому вісь симетрії резонатора перпендикулярна заземленій пластині, а зв'язок між ними здійснюється через прорізану у ній щілину [3]. Спільними елементами конструкції відомого елемента зв'язку з корисною моделлю є відрізок мікросмужкової лінії передачі та діелектричний резонатор. Недоліком такої конструкції є обмеження максимальної потужності випромінювання антени через загрозу електричного пробою щілини зв'язку, оскільки ширина щілини набагато менша її довжини. При збільшенні робочої частоти пристрою зменшується максимально допустима потужність випромінення. Ще одним недоліком конструкції є наявність додаткового елемента зв'язку резонатора з лінією - щілини, що ускладнює розрахунок конструкції. Найбільш близьким за сукупністю ознак до корисної моделі і вибраним як найближчого аналог є елемент зв'язку, застосований у антені, що описана у [3]. Опис конструкції найближчого аналога та його недоліки наведено вище. Задача корисної моделі полягає у створенні більш пристосованого до роботи у міліметровому та вищих діапазонах хвиль механізму живлення діелектричної резонаторної антени при збереженні головної переваги найближчого аналога, а саме розташування живлячої лінії і випромінюючого елемента по різні боки заземленої пластини смужкової лінії. Суть запропонованої конструкції елемента зв'язку пояснюється на фіг. 1. Несиметрична смужкова лінія містить металеву смужку 1 шириною w, яка знаходиться на поверхні діелектричної підкладки 2 товщиною h. З іншого боку діелектрична підкладка вкрита заземленою металевою пластиною 3. Поряд із смужкою виконується прямокутний отвір 4 розмірами А×В. В отвір 4 встановлюється циліндричний діелектричний резонатор 5 висотою L та радіусом r0. На фіг. 2 зображено спосіб розташування ДР в отворі (зображено поперечний переріз конструкції площиною, що проходить через вісь симетрії ДР та є паралельною площині ху). При цьому вісь симетрії ДР лежить у площині заземленої пластини лінії (тобто площині xz) та є ортогональною напрямкові поширення хвилі вздовж лінії, тобто осі z. З метою максимального придушення паразитного випромінювання розміри отвору 4 співпадають із перерізом ДР, тобто A=2r0, B=L (фіг. 1). За такої конструкції половина об'єму ДР знаходиться у лінії, а інша половина - ззовні лінії. На фіг. 1 l - довжина смужкового шлейфа ( 45 50 55 l   g / 4 , де  g - довжина хвилі у лінії на резонансній частоті ДР). Загальний вигляд одноелементної ДРА, що використовує запропонований елемент зв'язку живлячої лінії з резонатором, зображено на фіг. 3. Після встановлення ДР (або декількох ДР у випадку антенної решітки), конструкція доповнюється металевим екрануючим боксом 6 корпусом антени, який встановлюється з боку розташування смужки і в такий спосіб екранує паразитне випромінювання. Таким чином, у подібній антені з відкритим простором буде зв'язаний лише ДР, решта ж конструкції буде екранована корпусом антени. Ввід енергії здійснюється через коаксіальний роз'єм 7. У випадку найближчого аналога (тобто при щілинному збудженні ДР) найменшим характерним розміром конструкції буде ширина щілини, яка обмежуватиме максимальну допустиму потужність випромінювання. При цьому при збільшенні робочої частоти пристрою у n разів ширина щілини також зменшиться у n разів, тобто при збільшенні частоти допустима потужність зменшується, що є суттєвим недоліком при переході до міліметрового та субміліметрового діапазонів довжин хвиль. В запропонованому пристрої даний недолік усувається, оскільки розміри отвору А і В визначаються тепер лише розмірами ДР, які, у свою чергу, можуть змінюватись у значних межах на будь-якій робочій частоті. Ще однією перевагою запропонованого елемента зв'язку у порівнянні з найближчим аналогом є використання у циліндричному ДР основної моди H101, тоді як в найближчому аналогу використовується більш висока за рахунком мода НЕ111. Використання основної (тобто 1 UA 81403 U 5 найнижчої за частотою з усіх можливих) моди збільшує відстроювання від найближчої паразитної моди на робочій частоті. Запропонований спосіб живлення ДРА працює наступним чином. Хвиля, що має збуджувати антену, вводиться в неї через роз'єм 7 та через коаксіально-смужковий перехід потрапляє до несиметричної смужкової лінії (позиції 1, 2, 3 на фіг. 1 та 2). Розповсюджуючись вздовж неї, хвиля досягає ДР, при цьому останній перевипромінює в обидва боки вторинну хвилю, зсунуту за фазою на 180° відносно падаючої. Досягнувши кінця шлейфа, хвиля повністю відбивається від розімкнутого кінця і, пройшовши відстань 2l вздовж лінії, знов збуджує ДР, який, у свою l /4 10 15 g чергу, знову перевипромінює вторинну хвилю і т. д. Завдяки довжині шлейфа результуюча відбита у бік генератора хвиля, що являє собою інтерференцію усіх відбитих хвиль, прямує до нуля, а майже вся енергія падаючої хвилі перевипромінюється діелектричним резонатором у відкритий простір. Було знайдено умову ідеального узгодження описуваної антени, у випадку виконання якої сумарна відбита хвиля дорівнює нулю: Kw  1  K os 2 , де K w - коефіцієнт зв'язку ДР з несиметричною смужковою лінією; K os - коефіцієнт зв'язку ДР з відкритим простором. Визначення K w та K os наведені у [4]. Методика обчислення K os викладена у [5]. Для було отримано наступний вираз: 20 Kw K w  A  H2 x 0 , y 0 , z 0  , x де A - складна функція параметрів резонатора, що залежать від його форми і матеріалу; Hx x 0 , y 0 , z 0  - напруженість магнітного поля несиметричної смужкової лінії у точці, яка 25 30 35 40 45 50 відповідає геометричному центру циліндричного ДР (див. фіг. 2). Таким чином, ширина смужки w та висота діелектричної підкладки h впливають, по-перше, на хвильовий опір смужкової лінії, а по-друге, впливають на коефіцієнт зв'язку ДР з нею. При проектуванні антени виконання вищевказаної умови ідеального узгодження може досягатися віддаленням ДР від смужки лінії, тобто зменшенням K w до рівня, що відповідає умові. У загальному випадку запропонований спосіб розташування ДР у мікросмужковій лінії забезпечує резонансний зв'язок останньої не обов'язково з відкритим простором, а, у більш загальному випадку, з будь-яким середовищем. Таким середовищем може бути інша мікросмужкова лінія. Тоді забезпечується взаємний резонансний зв'язок двох мікросмужкових виходів. Таким чином, на основі запропонованого механізму зв'язку можуть реалізовуватись частотні фільтри НВЧ-діапазону. Дослідження антен із запропонованим елементом зв'язку показали, що ККД антени збільшується при збільшенні K os та становить 80-90 %. Таким чином, подібні антени комбінують у собі високу енергетичну ефективність, порівняні з найближчим аналогом характеристики випромінювання, простішу конструкцію (за рахунок відсутності додаткового елемента зв'язку) та більшу допустиму потужність. Проведений аналіз відомих технічних рішень у даній галузі техніки показав, що сукупність ознак, яка відрізняє корисну модель від найближчого аналога, не була виявлена, тобто запропонований спосіб збудження циліндричного ДР має істотні відмінності і відповідає критерію новизни. Джерела інформації: 1. Q. Lai, G. Almpanis, Ch. Fumeaux, H. Benedickter, R. Vahldieck. Comparison of the Radiation Efficiency for the Dielectric Resonator Antenna and the Microstrip Antenna at Ka Band // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - Vol. 56. - №. 11. - Р. 3589-3592. 2. R. A. Kranenburg and S. A. Long. - Microstrip transmission line excitation of dielectric resonator antennas // Electron. Lett.-1988. - Vol. 24. - P. 1156-1157. 3. K. W. Leung, M. L. Poon, W. С Wong, K. M. Luk and E. K. N. Yung. Aperture-coupled dielectric resonator antenna using a stripline feed // Microw. and Opt. Techn. Lett.-2000. - Vol. 24, №. 2. - P. 120-121. 4. Ильченко M. E., Взятышев В. Ф., Гассанов Л. Г. и др. Диэлектрические резонаторы. Под ред. М. Е. Ильченко. - М.: Радио и связь, 1989.-328 с. 2 UA 81403 U 5. М. Е. Ильченко, А. А. Трубин. Электродинамика диэлектрических резонаторов. - К.: Наукова думка, 2004.-266 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Елемент зв'язку циліндричного діелектричного резонатора з несиметричною смужковою лінією, що передбачає наявність: відрізка несиметричної смужкової лінії, циліндричного діелектричного резонатора та електромагнітного зв'язку між ними, який відрізняється тим, що резонатор розташовується в отворі, виконаному у діелектричній підкладці та заземленій пластині смужкової лінії, так що вісь його симетрії лежить у площині заземленої пластини і перпендикулярна напрямку поширення енергії вздовж лінії. 3 UA 81403 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4