МАЛОГАБАРИТНАЯ АНТЕННА
SMALL-SIZE ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны приемного устройства систем спутниковой навигации или связи.
Антенны с осесимметричными диаграммами направленности (ДН) находят широкое применение в разных радиоэлектронных системах. Основное их достоинство состоит в возможности принимать и передавать сигналы в любом направлении в азимутальной плоскости, которая чаще всего совпадает с плоскость поверхности земли.
Наиболее распространенным типом антенн с осесимметричной ДН являются вертикальные вибраторы [1]. Вертикальный вибратор - это металлический проводник, расположенный на массивном проводящем объекте, который называют экраном или противовесом. Роль противовеса может играть поверхность земли, автомобиля, корпус прибора и т.д.
Недостатком простейших вертикальных вибраторов являются их большие габаритные размеры, которые обусловлены тем, что максимальная эффективность излучения такой антенны имеет место при длине вибратора, близкой к четверти длины волны в свободном пространстве. Для преодоления этого недостатка применяются так называемые укороченные вибраторы. Известен укороченный вибратор, в котором последовательно с его входом включена индуктивность [2].
Уменьшение длины вибратора за счет включения в цепь питания реактивных элементов позволяет в узкой полосе частот согласовать антенну с генератором. Однако чем сильнее укорочение, тем уже полоса рабочих частот, в которой коэффициент отражения устройства имеет приемлемое значение.
Известны печатные антенны, имеющие один диэлектрический слой, на поверхности которого нанесены металлические проводники [3]. Один из них полностью покрывает поверхность диэлектрического слоя, а другой может иметь более сложную форму. Первый проводник называют экраном, а второй - полосковым проводником. Как правило, диэлектрический и металлические слои имеют прямоугольную форму или форму круга. Связь такой антенны с внешними устройствами обеспечивается с помощью элемента возбуждения. Часто в качестве элемента возбуждения используют коаксиальный кабель, центральный проводник которого имеет контакт с полосковым проводником, а внешний проводник - с экраном. Возможны также и другие элементы возбуждения, например, технологичный элемент возбуждения полосковой линией через щель.
Печатные антенны нашли широкое применение в радиоэлектронике, в первую очередь благодаря их малым вертикальным размерам, которые много меньше размеров даже укороченных вибраторных антенн. Их недостатком является невозможность создания осесимметричной ДН. Типовая печатная антенна линейной поляризации имеет нули ДН в горизонтальной плоскости в отличие от антенн с осесимметричными ДН, имеющими в указанной плоскости максимум излучения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой малогабаритной антенне является антенна [4]. Она содержит два металлических проводника, четыре штыревых элемента возбуждения, металлический цилиндр, диэлектрическую пластину и схему питания, металлические проводники, диэлектрическая пластина и металлический цилиндр имеют круглую форму и установлены с общей осью вращения, металлический цилиндр установлен между металлическими проводниками и имеет с ними электрический контакт, металлические проводники расположены на противоположных поверхностях диэлектрической пластины, расположены на противоположных поверхностях диэлектрической пластины, схема питания имеет один центральный вход и N боковых входов, которые соединены со штыревыми элементами возбуждения.
Недостатком данной антенны является невозможность создания в ней осесимметричной ДН, которая имеет нуль излучения вдоль оси и максимум излучения в плоскости, перпендикулярной указанной оси. Для создания такой ДН необходимо обеспечить геометрическую и электрическую осевую симметрию антенны. Геометрическая симметрия в известной антенне соблюдается с достаточной точностью. Однако электрическая симметрия нарушается в силу того, что схема питания формирует на своих выходах сигналы с фазами, сдвинутыми на 90° друг относительно друга.
Предлагаемое техническое решение нацелено на получение технического результата, выражающегося в создании излучения с осесимметричной ДН. Кроме того, получаемый технический результат выражается в уменьшении габаритных размеров антенны, а также достижении ее комфортности за счет устранения из ее конструкции выступающих элементов.
Эта задача решается за счет того, что схема питания выполнена в виде равноамплитудного синфазного делителя мощности на N каналов, штыревые элементы возбуждения расположены на окружности, центр которой лежит на общей оси вращения, причем угловое расстояние между соседними штыревыми элементами возбуждения равно 2π/N, а, по крайней мере, в одном металлическом проводнике выполнены М кольцевых щелей, где М≥1, центры кольцевых щелей располагаются на упомянутой общей оси вращения.
С целью повышения однородности осесимметричной диаграммы направленности металлический цилиндр выполнен полым, в металлический цилиндр введен отрезок коаксиальной линии передачи, один конец отрезка коаксиальной линии передачи соединен с центральным входом схемы питания, а второй конец отрезка коаксиальной линии передачи образует вход малогабаритной антенны.
На фиг. 1а-в показан вариант выполнения малогабаритной антенны по п. 1. На фиг. 1а представлен вид сверху, на фиг. 1б - вид спереди и на фиг. 1в - вид снизу. Малогабаритная антенна содержит диэлектрическую пластину (1), два металлических проводника (2) и (3), которые расположены соответственно на нижней и верхней поверхностях диэлектрической пластины (1), металлический цилиндр (4) и два штыревых элемента возбуждения (5), схему питания (6). Схема питания (6) имеет два боковых выхода (7) и центральный вход (8), который выполняет функцию входа малогабаритной антенны. В металлическом проводнике (3) выполнены две кольцевые щели (9).
Диэлектрическая пластина (1), металлические проводники (2), (3), металлический цилиндр (4) выполнены круглой формы и установлены с общей осью вращения. Диэлектрическая пластина (1) установлена между металлическими проводниками так, что металлические проводники (2) и (3) находятся на противоположных поверхностях диэлектрической пластины (1). Центры кольцевых щелей (9) располагаются на общей оси вращения.
На фиг. 2 показана малогабаритная антенна, в которой вместо диэлектрической пластины (1) в области кольцевых щелей между металлическими проводниками (2) и (3) возможно введение четырех диэлектрических опор (10). Опоры (10) выполнены одинаковыми и расположены с симметрией поворота вокруг общей оси вращения на угол 90°.
На фиг. 3 показана малогабаритная антенна по п. 2. Металлический цилиндр (4) выполнен полым. Через полость внутри металлического цилиндра (4) проходит отрезок коаксиальной линии передачи (11). Один конец отрезка коаксиальной линии передачи (11) соединен с центральным входом (8) схемы питания (6). Второй конец отрезка коаксиальной линии передачи образует вход малогабаритной антенны.
Рассмотрим функционирование малогабаритной антенны. Поскольку антенна является взаимным устройством, то ее можно рассматривать как в передающем, так и в приемном режимах. В передающем режиме антенна возбуждается волной линии передачи, падающей на ее вход. Роль входа малогабаритной антенн выполняет центральный вход (8) схемы питания (6). Схема питания (6), выполненная в виде равноамплитудного синфазного делителя мощности на N каналов, осуществляет деление мощности волны, поступившей на центральный вход (8), на N одинаковых частей. По этой причине на N боковых выходах (7) возбуждаются синфазные волны одинаковой амплитуды.
Вследствие того, что боковые выходы (7) схемы питания (6) подключены к штыревым элементам возбуждения (5) волны на боковых выходах (7) схемы питания (6) наводят на штыревых элементах возбуждения (5) электрические токи, которые, в свою очередь, возбуждают малогабаритную антенну. Малогабаритная антенна представляет собой объемный резонатор полоскового типа. Основная часть энергии собственных колебаний сосредоточена в области между металлическими проводниками (2) и (3).
r
Штыревые элементы возбуждения (5) возбуждают собственные колебания малогабаритной антенны. Причем чем ближе рабочая частота ƒ к резонансной частоте собственного колебания ƒ, тем выше амплитуда возбуждения собственного колебания.
r
d
Излучение из малогабаритной антенны происходит из кольцевой области, расположенной вблизи кромок металлических проводников (2), (3). Благодаря излучению энергия, запасенная собственным колебанием, уменьшается. Обычно этот эффект описывают при помощи мощности потерь на излучение P за один период колебаний. Наряду с полезными потерями на излучение в малогабаритной антенне существуют паразитные тепловые потери, которые характеризуются мощностью потерь P.
r
d
r
d
r
Указанные потери определяют добротность колебаний малогабаритной антенны. Можно ввести добротность излучения Q и тепловую добротность Q, обратно пропорциональные мощностям P и P соответственно. Задачей проектирования любой антенны резонансного типа является минимизация добротности излучения Q. При этом достигается максимальная полоса рабочих частот антенны и максимальный коэффициент полезного действия (КПД).
1
Антенны полоскового типа принято описывать при помощи так называемой резонаторной модели [5]. В рамках этой модели на границе металлических проводников (2) и (3), имеющих круглую форму, при r=R устанавливают виртуальную магнитную стенку, на которой выполняется граничное условие
1
где  - касательная к магнитной стенке компонента магнитного поля. Здесь R - радиус металлических проводников (2) и (3), а r - расстояние от общей оси вращения до кромок металлических проводников (2), (3). Для определенности мы полагаем, что они выполнены с одинаковыми размерами.
1
2
1
2
После установки при r = R вертикальной цилиндрической магнитной стенки мы получаем закрытый цилиндрический объемный резонатор, который ограничен при z=0, h и r = R металлическими стенками, а при r = R- магнитной стенкой. Здесь R - радиус металлического цилиндра (4), h - расстояние между металлическими проводниками (2), (3).
1
Излучение из объемного резонатора описывается как излучение кольцевой нити магнитного тока, текущей при z=0, r = R:
1
где U(φ) - напряжение между металлическими проводниками (2) и (3) собственного колебания при r = R, зависящее от азимутального угла φ, δ(x) - дельта функция.
Распределение напряжения собственного колебания U(φ) определяет форму ДН малогабаритной антенны в азимутальной плоскости. Стандартное колебание полосковой антенны круглой формы имеет зависимость напряжения от φ следующего вида:
Такую же зависимость от угла φ имеет ДН F(θ,φ), где θ - угол места. Видно, что она не является осесимметричной ДН. Для формирования осесимметричной ДН необходимо возбудить осесимметричное колебание, у которого напряжение не зависит от угла φ:
Таким образом, из сказанного выше следует, что эффективное функционирование малогабаритной антенны обеспечивается при выполнении следующих условий:
rs
1. Резонансная частота осесимметричного колебания ƒ близка к рабочей частоте малогабаритной антенны.
rs
2. Радиационная добротность осесимметричного колебания Q имеет достаточно малое значение, обеспечивающее требуемое значение ширины полосы рабочих частот.
3. Элементы возбуждения возбуждают преимущественно только осесимметричное колебание и с минимальной интенсивностью возбуждают другие колебания, искажающие ДН.
1e
При использовании резонаторной модели следует иметь ввиду, что антенна с магнитной стенкой отличается от реальной антенны. Поэтому их резонансные частоты не будут совпадать. Указанное отличие можно описать, вводя эффективный радиус R, который учитывает краевые эффекты на границе малогабаритной антенны. Методика вычисления эффективного размера полосковой антенны известна (Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны // М.: Радио и связь. 1986).
Рассмотрим, как достигается выполнение условий 1 и 2. Для этого в рамках резонаторной модели найдем уравнение, описывающее резонансную частоту и поле осесимметричного колебания:
0
0
rs
где с - скорость света в вакууме, J(x),  - функция Бесселя нулевого порядка и ее производная, Y(x),  - функция Неймана нулевого порядка и ее производная, ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической пластины (1). Решая уравнение (4) относительно резонансной частоты осесимметричного колебания ƒ, можно найти ее зависимость от конструктивных параметров малогабаритной антенны.
Поле осесимметричного колебания внутри в области между металлическими проводниками (2) и (3) описывается следующими выражениями:
0
где W - волновое сопротивление свободного пространства.
s
1e
Напряжение осесимметричного колебания U при r=R не зависит от азимутального угла φ:
где h - расстояние между металлическими проводниками (2) и (3).
При помощи соотношения (6) можно найти ДН малогабаритной антенны F(θ):
1
где J(x) - функция Бесселя первого порядка.
r
Видно, что ДН не зависит от азимутального угла φ, то есть является осесимметричной. ДН малогабаритной антенны определяет излученную мощность P:
s
а при помощи соотношений (5) находим энергию, запасенную осесимметричным колебанием W:
r
Радиационная добротность Q определяется отношением запасенной энергии к мощности потерь:
2
1e
rs
1
На фиг. 4 показана зависимость радиуса металлического цилиндра (4) - R от эффективного радиуса металлических проводников (2) и (3) - R. Кривая на фиг. 4 получена при h=6 мм и ε=1 при условии, что резонансная частота ƒ=1.6 ГГц, что соответствует центральной частоте рабочего диапазона L спутниковых навигационных систем ГЛОНАС и GPS. Из фиг. 4 видно, что выбором внешнего радиуса мы можем обеспечить настройку осесимметричного колебания на требуемую частоту при технически реализуемых значениях радиуса металлического цилиндра (4).
1e
Основной трудностью при настройке малогабаритной антенны на требуемую частоту является неточное знание проницаемости диэлектрической пластины (1) ε, а также эффективного радиуса R. Проблема точной настройки малогабаритной антенны решается при помощи кольцевых щелей (9), которые выполнены, по крайней мере, в одном из двух металлических проводников (2) и (3) и имеют центры, расположенные на общей оси вращения.
1
rs
rs
Из соотношений (5) видно, что осесимметричное колебание имеет только радиальные электрические токи, текущие по металлическим проводникам (2), (3). Эти токи эффективно разрываются при помощи кольцевых щелей (9). В результате происходит уменьшение радиуса R, которое увеличивает резонансную частоту осесимметричного колебания ƒ. При проектировании малогабаритной антенны можно выбрать радиус наименьшей из кольцевых щелей (9) таким, чтобы частота ƒ заведомо была выше рабочей частоты. После этого, замыкая одну или несколько кольцевых щелей (9) большего радиуса при помощи металлических перемычек, мы можем осуществить точную настройку малогабаритной антенны.
Отметим, что при использовании диэлектрической пластины (1) можно обеспечить уменьшение размеров малогабаритной антенны.
1e
r
rs
1
На фиг. 5 показана зависимость радиационной добротности осесимметричного колебания от радиуса R. Кривая на фиг. 5 получена для параметров, приведенных выше. Видно, что радиационная добротность Q<20 при достаточно большом внешнем радиусе малогабаритной антенны. Такая добротность соответствует полосе пропускания при ƒ=1.6 ГГц, равной 80 МГц, что достаточно для работы в диапазоне L, ширина которого составляет 45 МГц.
Таким образом, мы можем сделать вывод, что условия эффективного функционирования малогабаритной антенны 1 и 2 могут быть выполнены. Третье условие эффективного функционирования малогабаритной антенны связано с возбуждением ее собственных колебаний штыревыми элементами возбуждения (5).
Как отмечено выше, штыревые элементы возбуждения (5) запитываются синфазными волнами одинаковой амплитуды, которые поступают к ним с боковых выходов схемы питания (6). При этом на штыревых элементах возбуждения (5) наводятся электрические токи, пропорциональные амплитудам указанных волн , где n - номер штыревого элемента возбуждения (5), n=1…N. Электрические токи ориентированы вдоль оси 0z. Эти токи возбуждают собственные колебания малогабаритной антенны.
m
В общем случае зависимость поля собственного колебания от азимутального угла φ описывается тригонометрическими функциями cosmφ, sinmφ, m=0, 1, …. Тогда амплитуду возбуждения такого колебания A штыревыми элементами возбуждения (5) можно представить в следующем виде:
m
m
где e(r) - функция, описывающая зависимость электрического поля собственного колебания от радиальной координаты r, ρ - радиус окружности, на которой расположены штыревые элементы возбуждения (5),  - угловая координата штыревого элемента возбуждения (5) с номером n=1…N, K - коэффициент пропорциональности.
0
Осесимметричное колебание имеет номер m=0. В силу того, что схема питания (6) выполнена в виде равноамплитудного синфазного делителя мощности токи  одинаковы: . Из соотношения (11) видно, что в этом случае при m=0 вклады в амплитуду собственного колебания A от всех штыревых элементов возбуждения (5) суммируются в фазе.
Для других собственных колебания с m≠0 имеет место несинфазное суммирование, которое приводит к подавлению таких колебаний. Например, при N=2 амплитуда возбуждения колебаний с m=1 равна нулю, что следует из соотношения (11).
1
0
Колебания с m=1 являются наиболее опасными колебаниями, так как их резонансные частоты могут быть близки к резонансной частоте осесимметричного колебания. Поэтому коэффициент пропорциональности K может быть близок к K. Мы видим, что они подавляются уже при N=2. Увеличение числа штыревых элементов возбуждения позволит осуществить подавление собственных колебаний с m>1.
Таким образом, выполнение схемы питания (6) в виде синфазного равноамплитудного делителя мощности и размещение штыревых элементов возбуждения (5) на окружности, центр которой лежит на общей оси вращения с постоянным угловым расстоянием 2π/N, обеспечивают селективное возбуждение осесимметричного колебания при подавлении других собственных колебаний. Благодаря этому обеспечивается формирование ДН малогабаритной антенны, близкой к осесимметричной.
Таким образом, мы показали, что условия эффективного функционирования малогабаритной антенны 1-3 могут быть обеспечены при помощи предлагаемых технических средств.
С целью расширения полосы рабочих частот вместо диэлектрической пластины в области кольцевых щелей между металлическими проводниками введены P диэлектрических опор, P≥N, опоры выполнены одинаковыми и расположены с симметрией поворота вокруг оси вращения на угол 2π/P (см. фиг. 2). Расчеты добротности излучения показывают, что минимальное значение она достигает, когда диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между металлическими проводниками (2) и (3), равна единице. Это означает, что диэлектрическая пластина (1) отсутствует и не может выполнить функцию механического крепления металлических проводников (2) и (3) в области их краев. Единственным элементом, выполняющим функцию механического соединения всех частей малогабаритной антенны является металлический цилиндр (4). Однако на периферии металлических проводников (2) и (3) механические нагрузки, в первую очередь вибрационного и ударного типа, наиболее опасны, так как они прикладываются в точке, имеющей максимальное плечо относительно оси жесткого крепления указанных металлических проводников (2) и (3).
Кроме того, в отсутствие диэлектрической пластины (1) невозможно выполнение кольцевых щелей (9), поскольку металлический проводник (2) или (3), в котором они выполняются, распадается на несколько несвязанных частей.
В данном варианте малогабаритной антенны (см. фиг. 2) механическое соединение в области краев металлических проводников (2) и (3) обеспечивается при помощи диэлектрических опор (10). Введение диэлектрических опор (10) нарушает осевую симметрию вращения всей конструкции малогабаритной антенны, что потенциально может приводить к искажению осесимметричной ДН. Для минимизации данного эффекта число диэлектрических опор P выбрано большим или равным числу штыревых элементов возбуждения (5). При этом искажения ДН не будут превышать искажений, обусловленных применением штыревых элементов возбуждения (5), которые также нарушают осевую симметрию малогабаритной антенны. Увеличивая число диэлектрических опор, можно добиться уменьшения уровня искажений ДН и сделать их пренебрежимо малыми.
На фиг. 3 с целью повышения однородности осесимметричной ДН металлический цилиндр (4) выполнен полым, в металлический цилиндр (4) введен отрезок коаксиальной линии передачи (11), один конец отрезка коаксиальной линии передачи (11) соединен с центральным входом схемы питания (6), а второй конец отрезка коаксиальной линии передачи образует вход малогабаритной антенны (8).
Обычно схема питания (6) выполняется в виде микрополосковой платы. Если линия передачи, выполняющая функцию центрального входа (8), и линии передачи боковых выходов схемы питания (6) расположены на общей подложке микрополосковой платы, то схему питания невозможно выполнить с симметрией поворота на угол 2π/N (см. фиг. 1). Отсутствие геометрической симметрии поворота существенно затрудняет реализацию электрической симметрии, которая необходима для выполнения схемы питания (6) в виде равноамплитудного синфазного делителя мощности. Нарушение электрической симметрии неизбежно приводит к искажениям осесимметричной ДН.
Для достижения геометрической симметрии поворота на угол 2π/N и уменьшения искажений ДН металлический цилиндр (4) выполнен полым и в него введен отрезок коаксиальной линии передачи (11). Ось отрезка коаксиальной линии передачи (11) перпендикулярна микрополосковой плате и совпадает с общей осью вращения. Поскольку отрезок коаксиальной линии передачи (11) обладает симметрией вращения относительно своей оси и, следовательно, общей оси вращения, то он может быть соединен со схемой питания (6) без нарушения ее геометрической симметрии поворота на угол 2π/N, как показано на фиг. 3а.
Таким образом, достигается геометрическая симметрия малогабаритной антенны по данному варианту ее выполнения, что позволяет уменьшить искажения осесимметричной ДН.
Функционирование малогабаритной антенны проверялось путем компьютерного моделирования, которое проводилось при помощи современных систем электродинамического моделирования. На фиг. 6 показана модель малогабаритной антенны, которая содержит металлические проводники 2 и 3, металлический цилиндр 4 и два штыревых элемента возбуждения 5.
На фиг. 7 представлена трехмерная ДН малогабаритной антенны. Видно, что она с высокой степенью точности является осесимметричной ДН. В направлении угла места θ=0,180° ДН имеет нули, что типично для антенн с осесимметричной ДН.
На фиг. 8 показана частотная зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) малогабаритной антенны. Видно, что на центральной частоте рабочего диапазона, которая равна 1.59 ГГц, КСВ близок к единице. При отстройке от центральной частоты он растет. Обычно полосу рабочих частот антенны дециметрового диапазона определяют из условия КСВ<3. Из фиг. 8 видно, что в рассматриваемом примере полоса рабочих частот равна 60 МГц. Такой полосы достаточно для работы в диапазоне функционирования систем, видно, что в рассматриваемом примере полоса рабочих частот равна 60 МГц. Такой полосы достаточно для работы в диапазоне функционирования систем спутниковой навигации ГЛОНАС и GPS, который лежит в пределах от 1570 до 1615 МГц.
Графики, показанные на фиг. 9, 10, показывают в деталях форму ДН малогабаритной антенны. На фиг. 9 показано сечение ДН в азимутальной плоскости при θ=90°. Видно, что изменения ДН не превышают 0,002 дБ, что говорит об очень высокой степени осевой симметрии ДН. На фиг. 10 показано сечение ДН в угломестной плоскости φ=0,180°. Как отмечалось выше, она имеет характерную форму восьмерки.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, предназначено для использовании в промышленности, а именно в технике антенн, например в качестве приемной антенны устройства спутниковой навигации;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, позволяет реализовать следующий технический результат: создание излучения с осесимметричной ДН и уменьшение габаритных размеров антенны, а также достижение ее комфортности за счет устранения из ее конструкции выступающих элементов.
Источники информации
1. Г.З. Айзенберг. Коротковолновые антенны. М.: Радио и связь, 1985 г.
2. Патент РФ на полезную модель №24043, Авторы: Генералов А.Г., Горбачев В.Е. Дата публикации: 20 Июля, 2002 г.
3. Т. Haddrell, J P. Bickerstaff, M. Phocas. Realisable GPS Antennas for Integrated Hand Held products. ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division, 13-16 September 2005, Long Beach, CA.
4. US Patent 4922259, Microstrip patch antenna with omni-directional radiation pattern. May 1, 1990 г.
5. Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны // М.: Радио и связь. 1986 г.