Широкодиапазонная антенна для спутниковой системы навигации (GNSS)

Полезная модель относится к антенной и микрополосковой технике и может быть использована в аппаратуре связи и навигации для приема и передачи сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS), таких как  ГЛОНАСС, GPS, GALILEO и др. или в качестве элемента фазированной антенной решетки.
Известна  резонансная антенна, состоящая из основания, установленного над ним антенного элемента, возбуждаемого через расположенные по периферии элемента с периодом 90° по азимуту четырьмя токовводами, выполненными на нижней стороне основания печатной платы и выходного разъема антенны [Попугаев А.Е. Разработка ГНСС антенн в институте интегральных схем (ИИС) им. Фраунгофера, Сборник материалов VI Международного научного конгресса, ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия», Министерство образования и науки российской федерации, г. Новосибирск, 2010 г., с. 86-94]. Для обеспечения требуемого амплитудно-фазового распределения и правой круговой поляризации, схема питания антенного элемента выполнена в микрополосковом исполнении и расположена на нижней части основания. Схема расположена в центре печатной платы и включает в себя гибридное кольцо и два резистивных делителя. Согласование антенны выполнено с помощью трансформаторов и шлейфов. Основными недостатками известной антенны являются большие габариты (диаметр 146 мм, высота 25 мм) и недостаточно высокая стабильность положения фазового центра (±8 мм).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является резонансная антенна, состоящая из основания, установленного над ним антенного элемента, питаемого через выполненные по периферии элемента с периодом 90° по азимуту четырьмя токовводами, расположенной на нижней стороне основания печатной платы и выходного разъема антенны, последняя снабжена усеченным полым диэлектрическим конусом, установленным на основании соосно ему, антенный элемент выполнен круглой формы и расположен на верхнем основании диэлектрического конуса в центре, печатная плата снабжена четырехканальной суммирующей микросхемой, расположенной в ее центре [Патент РФ № 2 620 195. Резонансная антенна, МПК Н01Q 5/10 // Князев Н.Г., Ушко И.В., Сагач В.Е., Курдюмов О.А., Лопатко О.Е., Яскин Ю.С. Бюл. № 15, 2017]. К недостаткам данной антенны следует отнести резонансный режим работы, а также необходимость использования согласующе-трансформирующих цепей, только в этом случае обеспечивающих широкую полосу и стабильность положения фазового центра (±2 мм).
Технической задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является создание антенны, обеспечивающей работу в широком диапазоне частот для любых систем спутниковой навигации (GNSS), при стабильном положении фазового центра и отсутствии настройки согласующе-трансформирующих цепей в условиях серийного производства.
0
Решение технической задачи достигается тем, что широкодиапазонная антенна для спутниковой системы навигации (GNSS), содержит круглую диэлектрическую подложку, с одной стороны которой выполнен микрополосковый дисковый излучатель, а с другой ее стороны - четыре  микрополосковых проводника, и расположенный параллельно излучателю круглый металлический экран. Антенна отличается тем, что идентичные микрополосковые проводники выполнены диаметрально с периодом 90 по азимуту и соединены с возбуждающими зондами через изолированные отверстия в металлическом экране.
Отличительной особенностью антенны может являться также полное заполнение области между микрополосковыми проводниками и металлическим экраном диэлектрической средой с относительной проницаемостью, меньшей или равной относительной диэлектрической проницаемости подложки.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является обеспечение стабильного положения фазового центра и отсутствие настройки согласующе-трансформирующих цепей в условиях серийного производства, что позволяет создать широкодиапазонную антенну для любых систем спутниковой навигации (GNSS).
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется рисунками, где
на фиг.1а представлен общий вид широкодиапазонной антенны для GNSS в разрезе;
на фиг.1б представлен вид диэлектрической подложки антенны со стороны микрополосковых проводников;
11
на фиг.2 показана зависимость комплексного коэффициента отражения Sв рабочем диапазоне частот антенны;
на фиг.3 приведена диаграмма Вольперта – Смита, демонстрирующая возможность обеспечения согласования антенны в рабочем диапазоне частот;
на фиг. 4 показаны 3D диаграммы направленности широкодиапазонной GNSS антенны на частотах 1236 МГц (а) и 1590 МГц (б).
Работа широкодиапазонной антенны для спутниковой системы навигации (GNSS) осуществляется следующим образом.
0
0
0
0
0
°
°
°
В режиме передачи энергия электромагнитной волны через делитель мощности (на рисунках не показан) с фазами 0, 90, 180, 270, поступает на   зонды 1, соединенные с четырьмя микрополосковыми проводниками 2,   возбуждающими резонансную систему, образованную диэлектрической подложкой 3, круглым антенным элементом 4 и круглым металлическим экраном 5, и излучается в пространство между антенным элементом и экраном (фиг.1а). Таким образом, антенна излучает четыре линейно поляризованные электромагнитные волны, имеющие сдвиги фаз 0, 90, 180, 270. Результатом интерференции таких волн является волна эллиптической поляризации [Панченко С.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986, 134].
Область между диэлектрической подложкой с микрополосковыми проводниками и круглым антенным элементом может быть заполнена диэлектрической средой с относительной  проницаемостью, меньшей или равной относительной диэлектрической проницаемости подложки. Использование такой диэлектрической среды позволяет уменьшить геометрические размеры антенны, расширить рабочий диапазон частот и улучшить стабильность положения фазового центра антенны за счет его меньшего смещения при падении волн под разными углами ( ± 1…2) мм.
11
Достижение технического результата подтверждается результатами экспериментальных измерений. Так на фиг.2 показана зависимость комплексного коэффициента отражения Sв рабочем диапазоне частот антенны 1160 – 1810 МГц. Величина коэффициента стоячей волны напряжения в указанном диапазоне не превышает 1,42.
Возможность обеспечения хорошего согласования антенны на стандартных частотах спутниковых навигационных систем (GNSS) 1168МГц, 1256 МГц, 1590 МГц, 1610 МГц подтверждается также зависимостями, найденными экспериментально и изображенными на диаграмме Вольперта – Смита. Полученные значения коэффициента бегущей волны на указанных частотах не выше 0,70 (фиг.3).
Возможность достижения технического результата подтверждается также измерениями диаграммы направленности широкодиапазонной GNSS антенны, которые показаны на фиг.4 (а, б). Из результатов измерения следует, что антенна обеспечивает правую круговую поляризацию (RHCP -Right Hand Circular Polarisation) в верхней полусферы с усилением 4,45 dBi на частоте 1236 МГц (фиг.4а), и 3,35 dBi на частоте 1590 МГц (фиг.4б).
Согласно принципу взаимности, в режиме приема широкодиапазонная антенна имеет те же параметры – рабочий диапазон частот, диаграмму направленности, поляризационные характеристики.
°
Достоинством полезной модели широкодиапазонной антенны является также то, что конструктивно между точками питания и землей отсутствует какая-либо подложка, что упрощает и удешевляет производство антенного модуля. Монтаж антенны происходит при помощи стоек. Также за счет широкой полосы рабочих частот антенный элемент не требует настройки при серийном производстве. По сравнению с прототипом, для данной антенны не требуется цепей согласования, а только лишь цепь, обеспечивающая разность фаз в 90 между соседними точками питания.