Всенаправленная печатная антенная решетка

Заявляемое устройство относится к области радиотехники, в частности к СВЧ-антеннам, и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах систем радиолокации и связи, например Wi-Fi, McWill, бесконтактных радиометках, системах телевизионного вещания стандарта DVB-T, для приема широкополосных радиосигналов, либо множества узкополосных радиосигналов, распределенных в широкой полосе частот, например в системах радиомониторинга.
В настоящее время известны многие технические решения для построения всенаправленных антенн с горизонтальной поляризацией, имеющих в азимутальной плоскости круговую диаграмму направленности. Практически все они реализуются в виде кольцевых антенных решеток. Например, в патенте России 2371817 от 20.11.2008 г. (МПК H01Q), и французском патенте WO 2006/040472 от 20.04.2006 г. описана антенная решетка из Y-образных диполей для использования в бесконтактных радиометках. Похожие устройства описаны в патентах US 5719586 А от 01.02.1998 г., US 6147662 А от 14.11.2000 г.. В патенте на полезную модель RU 170231 от 18.04.2017 г. описана всенаправленная кольцевая антенная решетка, включающая N идентичных антенных элементов в виде линеек логопериодических антенн, размещенных на цилиндрической поверхности по кольцу с одинаковым угловым шагом и мостовое устройство деления мощности по числу логопериодических антенн. Подобное по принципу действия устройство описано в патенте на полезную модель RU 141252 от 09.01.2014 г. Широкополосная всенаправленная печатная антенная решетка с горизонтальной поляризацией, в которой используются размещенные на диэлектрической подложке по кольцу с одинаковым угловым шагом односторонние излучатели Вивальди и бинарное мостовое устройство равноамплитудного и синфазного деления мощности по числу излучателей Вивальди представлена в патенте Китая 106549233 от 20.03.2017 г. Все приведенные выше антенны различаются как излучателями кольцевой решетки, которые могут быть логопериодическими или волновым каналом, рупорными, щелевыми или микрополосковыми, так и мостовым делителем для их синфазного и равноамплитудного возбуждения. В большинстве случаев именно эти элементы антенных решеток и определяют широкополосность антенны и величину потерь, сложность ее практической реализации.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели является кольцевая антенная решетка, описанная в патенте Китая 106549233.
Известная всенаправленная печатная антенная решетка, содержащая круглую диэлектрическую подложку, на первой стороне которой выполнены щелевые излучатели Вивальди, размещенные по кольцу с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси, содержащие неоднородный участок щелевой линии, образованный электродами, которые содержат участки, расширяющиеся по экспоненциальному закону к краю подложки, мостовое устройство равноамплитудного и синфазного деления возбуждающего сигнала по числу излучателей, а также возбуждающую коаксиальную линию.
Эта всенаправленная печатная антенная решетка работает следующим образом. При подведении от источника СВЧ сигнала энергии к центральному проводнику возбуждающей коаксиальной линии в разветвлении микрополосковых линий делителя возбуждается квази-Т волна, которая последовательно через бинарные разветвления (мосты Уинстона), равноамплитудно уменьшаясь, поступает в двусторонние переходы щелевая линия - микрополосковая линия каждого излучателя Вивальди. В результате возбуждаются участки однородных щелевых линий всех излучателей, в которых возникает две противоположно направленных волны, одна из которых отражается от круглого резонатора и складываясь с волной, поступающей в неоднородный участок щелевой линии, и далее излучается в пространство. Поскольку все излучатели из-за принципа построения делителя возбуждаются синфазно и равноамплитудно, то также будет происходить и излучение в пространство от всех излучателей Вивальди, в результате их диаграммы направленности складываются и результирующая диаграмма направленности будет в азимутальной плоскости близкой к круговой.
К
Ключевым недостатком описанной всенаправленной печатной антенной решетки является то, что для возбуждения и симметрирования однородного участка щелевой линии каждого излучателя используется двусторонний переход щелевая линия - микрополосковая линия, нагруженная на треугольный короткозамыкающий элемент. Такое решение ограничивает рабочую полосу частот, т.к. по своей сути эти переходы являются резонансными. Кроме того, количество излучателей должно быть обязательно кратным 2, а выполнение такого делителя при большом числе излучателей Вивальди достаточно сложно, требует повышенной точности изготовления как излучателей, так и микрополосковых переходов.
Задачей, решаемой полезной моделью, всенаправленной печатной антенной решеткой, является упрощение конструкции, и как следствие технологическое упрощение ее создания и уменьшение стоимости, повышение широкополосности, а также паразитное излучение электродов соседних излучателей Вивальди будет иметь вертикальную поляризацию и не будет искажать основную диаграмму направленности, которая имеет горизонтальную поляризацию.
Это достигается за счет того, что заявляемое устройство, также как и описанная выше всенаправленная печатная антенная решетка, содержит круглую диэлектрическую подложку, на первой стороне которой выполнены щелевые излучатели Вивальди, размещенные по кольцу с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси, содержащие неоднородный участок щелевой линии, образованный электродами, которые содержат участки, расширяющиеся по экспоненциальному закону к краю подложки, мостовое устройство равноамплитудного и синфазного деления возбуждающего сигнала по числу излучателей, а также возбуждающую коаксиальную линию. Но в отличие от известного устройства, в заявляемой всенаправленной печатной антенной решетке на второй стороне подложки дополнительно размещены электроды, которые совместно с электродами первой стороны образуют двухсторонний излучатель Вивальди, а края электродов соседних излучателей Вивальди, расположенных на первой и второй сторонах диэлектрической подложки, перекрываются с постоянной шириной, в центре первой стороны подложки расположен круговой электрод, к которому через металлизированное отверстие связи, проходящее через подложку, подключен центральный проводник возбуждающей коаксиальной линии, а в центре второй стороны подложки расположен кольцевой электрод, к которому подключен внешний проводник коаксиальной линии, мостовое устройство выполнено в виде двухпроводных линий, проводники которых расположены друг под другом на обеих сторонах подложки и подключены одними концами к упомянутым электродам неоднородных участков излучателей Вивальди, а другими концами к кольцевому и круговому электродам, причем проводники двухпроводных линий на первой стороне подложки имеют постоянную ширину, а проводники на второй стороне содержат расширяющийся к кольцевому электроду участок.
Технический результат, достигаемый в полезной модели, состоит в создании, всенаправленной печатной антенной решетки, которая реализуется на однослойной круглой диэлектрической подложке, что позволяет получить конструктивное выполнение мостового устройства деления сигнала, симметрирования и согласования максимально простым, повысить широкополосность, а паразитное излучение электродов соседних излучателей Вивальди будет иметь вертикальную поляризацию и не будет искажать основную диаграмму направленности, которая имеет горизонтальную поляризацию. Это достигается за счет того, что входные сопротивления всех двухсторонних двухпроводных линий излучателей Вивальди оказываются подключенными параллельно к проводникам возбуждающей коаксиальной линии в результате чего СВЧ сигналы, поступающие в двухпроводные линии и далее в участки экспоненциально расширяющихся линий каждого излучателя будут равны по амплитуде и фазе и диаграмма направленности антенной решетки в азимутальной плоскости будет круговой (всенаправленной), при этом расширяющиеся к кольцевому электроду участки двухпроводных линий, расположенных на второй стороне подложки, совместно с участком постоянной ширины электродов на металлизации первой стороны диэлектрической подложки образуют симметрирующий переход, что позволяет получить конструктивное выполнение устройства деления и согласования максимально простым. Так же технический результат достигается за счет того, что края электродов соседних излучателей Вивальди, расположенные на различных сторонах подложки перекрываются друг над другом с постоянной шириной, поэтому электромагнитная волна, распространяющаяся между металлическими электродами соседних излучателей Вивальди будет излучаться в пространство с вертикальной поляризацией и не будет искажать основную диаграмму направленности, которая имеет горизонтальную поляризацию, и диаграмма направленности с горизонтальной поляризацией будет иметь минимальную неравномерность.
Заявляемое устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 схематически показана топология металлизации антенны на первой стороне диэлектрической подложки, на фиг. 2 - топология металлизации на второй стороне подложки.
Заявляемая всенаправленная печатная антенная решетка содержит круглую диэлектрическую подложку 1, расширяющиеся к краю подложки, электроды двухстороннего излучателя Вивальди 2, расположенные на первой стороне подложки 1, проводники однородных двухпроводных линий 3, также расположенные на первой стороне подложки, идущие от электродов 2 к круговому электроду в центре первой стороны подложки, электроды двухстороннего излучателя Вивальди 4, расположенные на второй стороне подложки 1 и образующие с электродами 2 расширяющуюся по экспоненциальному закону щелевую линию, проводники однородных двухпроводных линий 5, расположенные на второй стороне подложки, имеющие такую же ширину, как и проводники 3, расширяющиеся к центру второй стороны подложки участки проводников двухпроводных линий 6, кольцевой электрод 8 на втором слое металлизации, к которому подключены расширяющиеся к центру подложки участки проводников двухпроводных линий 6, круговой электрод на первом слое металлизации подложки 7 с металлизированным отверстием связи, проходящим через подложку. При этом края противоположных электродов 2 и 4 соседних излучателей Вивальди, расположенных на первой и второй сторонах диэлектрической подложки, перекрываются с постоянной шириной.
Расходящиеся в разные стороны электроды 2 и 4 на разных сторонах металлизации подложки образуют двухсторонний излучатель Вивальди (antipodal Vivaldi antenna) со щелью между ними расширяющейся по экспоненциальному закону, участки двухпроводных линий 3 и 5 образуют однородную часть излучателя Вивальди, участки двухпроводных линий, образованные электродами 3 и расширяющимися к центру участками электродов 6 образуют симметрирующие трансформаторы для перехода от несимметричного коаксиального кабеля к симметричным двухпроводным линиям 3 и 5, кольцевой электрод на втором слое металлизации 8 служит для подключения внешней оплетки возбуждающей коаксиальной линии, круговой электрод с металлизированным отверстием связи 7 служит для подключения проводников 3 к центральному проводнику возбуждающей антенну коаксиальной линии. Проводники 3, подключенные к круговому электроду 7 на первой стороне подложки и проводники 5 и 6, подключенные к кольцевому электроду 8 на второй стороне металлизации подложки образуют собой равноамплитудный и синфазный делитель мощности сигнала на число равное числу щелевых излучателей Вивальди.
Электроды соседних излучателей Вивальди, расположенные на противоположных сторонах подложки, возбуждаются делителем в противофазе, и получающаяся на их краях линия будет излучать сигнал горизонтальной поляризации в противофазе с основным излучением элементов Вивальди, искажая форму диаграммы направленности, увеличивая ее неравномерность. Взаимно перекрывающиеся с постоянной шириной края противоположных электродов, расположенных на первой 2 и второй 4 сторонах металлизации подложки образуют двухпроводную линию, в которой вектор электрического поля будет направлен вертикально от электрода 2 к электроду 4 (или наоборот в зависимости от фазы сигнала), что позволит избежать излучения сигнала с горизонтальной поляризацией и искажений азимутальной диаграммы направленности.
Заявляемая всенаправленная печатная антенная решетка работает следующим образом. Входной сигнал от возбуждающей антенну коаксиальной линии поступает на мостовой делитель через круговой электрод 7 с металлизированным отверстием, проходящим через подложку и далее проводники двухпроводных линий 3, а также проводники 6 через кольцевой электрод 8 на второй стороне подложки. В равноамплитудном и синфазном делителе мощности, образованном проводниками 3, 5 и 6 входные сопротивления всех двухсторонних двухпроводных линий 3, 5 и 6 оказываются подключенными параллельно к центральному проводнику и оплетке возбуждающей коаксиальной линии в результате чего СВЧ сигналы, поступающие в двухпроводные линии 3 и 5, разделенные по числу излучателей Вивальди, будут равны по амплитуде и фазе и через них поступают на расширяющиеся экспоненциальному закону электроды двухсторонних излучателей Вивальди 2 и 4, между которым возникает бегущая волна сигнала с горизонтальным направлением электрического поля, синфазно излучающаяся из всех излучателей в пространство. В результате за счет суммирования диаграмм направленности идентичных синфазно и равноамплитудно возбуждаемых двухсторонних излучателей Вивальди, размещенных по кольцу с одинаковым угловым шагом относительно центральной оси, получается всенаправленная печатная антенная решетка в азимутальной плоскости, работающая на горизонтальной поляризации.
Двухпроводные линии, образованные взаимно перекрывающимися с постоянной шириной краями противоположных электродов 2 и 4 соседних излучателей Вивальди, расположенных соответственно на первой и второй сторонах металлизации подложки, также будут излучать сигнал в пространство, однако этот сигнал будет иметь вертикальную поляризацию и не будет сказываться на основной диаграмме направленности с горизонтальной поляризацией, получаемой с помощью излучателей Вивальди, а по уровню он будет мал (примерно на -30-35 дБ), поскольку токи на краях электродов двухсторонних излучателей Вивальди существенно меньше, чем токи вдоль щели излучателей. Если требуется большее подавление сигнала кроссполяризации, то на перекрывающихся краях электродов соседних излучателей Вивальди могут быть установлены балластные резисторы, номинал которых будет равен волновому сопротивлению образованной краями электродов двухпроводной линии.
Таким образом, заявляемая всенаправленная печатная антенная решетка, имеющая равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, может быть изготовлена всего на однослойной подложке с любым числом излучателей Вивальди, что упрощает ее конструкцию и уменьшает стоимость, чем достигается первый из заявленного технического результата. Мостовой делитель мощности из параллельно соединенных радиально направленных двухпроводных линий, выполненный на двух сторонах подложки, обеспечивает равноамплитудное и синфазное деление возбуждающего сигнала и поступление его на излучатели Вивальди, а также повышает широкополосность.
Формирование двухпроводных линий с постоянным перекрытием на краях электродов соседних излучателей Вивальди, расположенных на противоположных сторонах подложки, предотвращает искажение диаграммы направленности за счет излучения сигналов горизонтальной поляризации с противоположным направлением основному излучению элементов Вивальди, чем достигается вторая часть технического результата.
Описание конструкции всенаправленной печатной антенной решетки и принципа ее работы доказывает достижение технических результатов - создана всенаправленная печатная антенная решетка, которая реализуется на однослойной круглой диэлектрической подложке, что позволяет получить конструктивное выполнение мостового устройства деления сигнала, симметрирования и согласования максимально простым, повысить широкополосность, а паразитное излучение электродов соседних излучателей Вивальди будет иметь вертикальную поляризацию и не будет искажать основную диаграмму направленности, которая имеет горизонтальную поляризацию.
Количество расположенных по окружности излучателей Вивальди будет влиять на неравномерность диаграммы направленности антенны и ее характеристики: увеличение числа щелевых излучателей очевидно уменьшит неравномерность диаграммы направленности, с другой стороны это неизбежно уменьшит размер раскрыва излучателя и его коэффициент усиления на низких частотах, либо потребует увеличения радиуса окружности, по которой располагаются излучатели.