ДВУХЧАСТОТНАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА
DOUBLE-FREQUENCY MICROSTRIP ANTENNA

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к антеннам и, в частности, к двухчастотным микрополосковым антеннам (МПА) для использования, преимущественно, в глобальных навигационных спутниковых системах (GNSS).
Уровень техники
В настоящее время МПА антенны имеют широкое применение в различных областях техники и, в частности, в системах спутниковой навигации, например GPS, Glonass, Galileo и др., что требует обеспечения достаточно широкой полосы частот. Поэтому существует потребность в двухчастотных антеннах для систем спутниковой навигации, где используются сигналы двух частотных диапазонов, так называемых L1 и L2. Для системы GPS средние частоты этих диапазонов имеют значения 1575 МГц для L1 и 1227 МГц для L2, что соответствует длинам волн в вакууме 19 см и 24.4 см. Такие антенны часто встраиваются в переносной приемник спутникового позиционирования, что требует обеспечения массогабаритных характеристик и, в частности, малого габарита и небольшого веса.
11
01
11
Так известна конструкция двухчастотной микрополосковой антенны US 5548297 А [1], представляющая собой проводящий экран, диэлектрическую подложку, излучающую пластинку в виде кольца и, расположенную внутри нее, излучающую пластинку в виде диска. Излучающая пластинка в виде кольца по внутренней границе имеет короткое замыкание с экраном (ground plane) и излучающая пластинка в виде диска в центральной области имеет короткое замыкание с экраном. Каждая пластинка совместно с экраном образует резонатор. Таким образом, такая конструкция представляет собой двухрезонаторную излучающую систему, причем к каждому резонатору электромагнитная энергия подводится с помощью отдельного коаксиального кабеля. Каждый такой резонатор имеет набор резонансных частот. Рабочие частоты антенны определяются выбором резонансного колебания. Так предлагается в качестве рабочего колебания пластинки в виде кольца использовать моду ТМ (Е-волны), а в качестве рабочего колебания пластинки в виде диска использовать моду ТМ, что позволяет реализовать два типа диаграммы направленности (ДН): круговой поляризации с максимумом в зените для приема GPS сигнала и линейной поляризации с максимумом вдоль горизонта для приема сигналов наземных служб. Также такая конструкция позволяет реализовать двухчастотную двухканальную L1-L2 GPS антенну. Для этого необходимо в качестве рабочего колебания пластинки в виде диска также использовать моду ТМ. Недостатками такой конструкции является достаточно большой габаритный размер излучателя, а также узкая ДН и узкая полоса частот для резонансного колебания пластинки в виде кольца.
1
2
Для расширения ДН излучателя с пластинкой в виде кольца необходимо уменьшать внешний радиус R, чтобы при этом сохранить рабочую частоту необходимо увеличить диэлектрическую проницаемость подложки, что приводит к обужению рабочей полосы частот для резонансного колебания пластинки в виде кольца. Чтобы расширить рабочую полосу частот, необходимо уменьшить внутренний радиус R. Но при этом уменьшается зазор h между пластинкой в виде кольца и пластинкой в виде диска, что приводит к обужению рабочей полосы частот для резонансного колебания пластинки в виде диска. Уменьшение размера внутренней пластинки с целью поддержать неизменным зазор h также приводит к обужению полосы частот, а также к дополнительному расширению ДН, что в некоторых случаях нецелесообразно, так как приводит к увеличению уровня ДН в задней полусфере и соответственно возрастанию уровня многолучевого сигнала.
Таким образом, существует потребность в преодолении указанных проблем, для чего предложена двухчастотная микрополосковая антенна, позволяющая обеспечить: расширение рабочей полосы частот, уменьшить уровень ДН в задней полусфере при этом уменьшить габаритный размер антенны.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предложена конструкция двухчастотной микрополосковой антенны которая позволяет решить указанные проблемы путем использования излучающих пластинок специальной формы.
Для этого предложена двухчастотная микрополосковая антенна, которая содержит проводящий экран и расположенные противоположно ему внутреннюю (центральную) излучающую (проводящую) пластину и внешнюю (периферийную) излучающую (проводящую) пластину и систему питания с соответствующими возбуждающими штырями для внутренней и внешней пластинки, причем внутренняя пластинка выполнена в форме круглого диска с набором выступов по краю, а внешняя пластинка выполнена в форме кольца с соответствующим набором выступов на внутренней стороне кольца, при этом соответствующие выступы внутренней пластинки расположены внутри (вложены) выступов внешней пластинки (один внутри другого), таким образом, соответствующие выступы внутренней пластинки вложены и расположены в пазах, образованных соответствующими выступами внешней пластинки. В выступах внешней пластинки расположены вертикальные проводящие элементы, которые проходят через внешнюю пластинку и гальванически соединяют внешнюю пластинку с упомянутым проводящим экраном, а между экраном и внешней пластинкой по ее внешнему периметру (краю) имеется диэлектрическое заполнение.
Выступы внутренней пластинки расположены в пазах, образованных выступами внешней пластинки таким образом, чтобы имелся определенный зазор между этими выступами. Выступы могут быть выполнены прямоугольной, квадратной, трапецеидальной или другой формы имеющей определенную площадь поверхности.
Как вариант, пространство между упомянутым проводящим экраном и упомянутой внутренней и внешней пластинкой имеет воздушное заполнение, при этом внутренняя и внешняя пластинка размещены над проводящим экраном посредством диэлектрических проставок, выполняющих роль несущей опоры. Также пространство между упомянутым проводящим экраном и упомянутыми внутренней и внешней пластинкой может быть заполнено диэлектриком. Внутренняя и внешняя пластинки выполнены в виде печатной платы (РСВ) и представляют собой проводящий слой, выполненный на несущем диэлектрическом основании.
Как вариант, вертикальные проводящие элементы выполнены в виде тонких металлических пластинок, зубцов или штырей произвольной формы и могут располагаться как в каждом выступе внешней пластинки, так и иметь определенный шаг расположения, например через один выступ.
Как вариант, внешняя пластинка выполнена на нижней стороне РСВ платы, а внутренняя пластинка на верхней стороне РСВ платы, при этом длина выступа внутренней пластинки больше, чем длина выступа внешней пластинки.
Как вариант, внешняя пластинка выполнена на верхней стороне РСВ платы, а внутренняя пластинка на нижней стороне РСВ платы.
Как вариант, внешняя и внутренняя пластинки расположены на нижней стороне РСВ платы, причем упомянутый набор выступов внутренней пластинки расположен на верхней стороне РСВ платы и гальванически соединен с помощью проводящих элементов, например металлизированных отверстий или штырьков с проводящей поверхностью внутренней пластинки, расположенной на нижней стороне РСВ платы.
Как вариант, вдоль внешнего периметра внешней пластинки расположены емкостные элементы. Емкостные элементы представляют собой два набора проводящих штырьков или пластинок, или зубцов. Элементы одного набора соединены с внешней пластинкой, элементы другого набора соединены с экраном, причем каждый элемент одного набора расположен напротив соответствующего элемента другого набора, что обеспечивает определенный зазор между ними. Как вариант, конструкция может содержать только один из упомянутых наборов емкостных элементов.
Как вариант, емкостные элементы могут представлять собой проводящие площадки, выполненные на РСВ плате в области внешнего периметра внешней пластинки, которые гальванически соединяются с экраном посредством набора проводящих штырьков, зубцов или пластинок. При этом между упомянутой проводящей площадкой и внешней пластинкой имеется определенный зазор. Как вариант контактная проводящая площадка и внешняя пластинка расположены на разных сторонах РСВ платы.
Предложенная двухчастотная микрополосковая антенна может работать в режиме линейной поляризации, возбуждаемая соответствующими возбуждающими штырями, подключенными к внешней и внутренней пластинке. Для обеспечения работы в режиме круговой поляризации к возбуждающим штырями подключена соответствующая схема, обеспечивающая возбуждение электромагнитного поля с необходимыми фазовыми сдвигами.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает конструкцию известной двухчастотной МПА.
Фиг.2 показывает основную конструкцию предлагаемой двухчастотной МПА линейной поляризации.
Фиг.3-6 показывает различные варианты конструкции двухчастотной МПА линейной поляризации.
Фиг.7 показывает конструкцию двухчастотной МПА круговой поляризации.
Фиг.8-8а показывает конструкцию двухчастотной МПА линейной поляризации.
Фиг.9 и 9b показывает вариант конструкции двухчастотной МПА круговой поляризации.
Фиг.9а показывает возбуждающие штыри, выполненные в виде одной металлической детали.
Подробное описание изобретения
Предлагается конструкция двухчастотной антенны, показанная на фиг.2, которая содержит: проводящий экран 21, внутреннюю излучающую пластинку 22, внешнюю излучающую пластинку 23, множество или набор проводящих элементов 26, соединяющих внешнюю проводящую пластинку 22 с ее экраном 21. Проводящие элементы 26 представляют собой, например, тонкие металлические пластинки или штыри произвольной формы.
1
2out
2in
1
2in
2out
11
Внутренняя (центральная) пластинка 22 имеет размер D представляет собой проводящую поверхность в виде круглого диска с набором выступов 24. Внешняя (периферийная) пластинка 23 имеет внешний размер D, и внутренний размер D и представляет собой проводящую поверхность в виде кольца с набором сегментов в форме выступов 25, расположенных на внутренней стороне кольца. Выступы 24 внутренней пластинки расположены в пазах, которые образованы выступами 25 внешней пластинки и наоборот. Форма выступов 24 и 25 может иметь прямоугольную, квадратную или иную форму, занимающую определенную площадь поверхности, например, они могут быть выполнены в виде трапеции, как показано на фиг.2. Между внешней и внутренней пластинками имеется зазор h. В выступах 25 расположены проводящие элементы 26, которые гальванически соединяют пластинку 23 с экраном 21. Проводящие элементы 26 могут располагаться как в каждом выступе 25, так и с определенным шагом, например через один выступ. Между экраном 21 и краями внешней пластинки 23 имеется диэлектрическое заполнение 28. Пластинки 22 и 23 могут быть выполнены методами изготовления печатных плат (РСВ) плат в виде слоев металлизации, расположенных на диэлектрической подложке 27, которая выполняет роль несущего основания. Экран 21 и проводящие пластинки 22 и 23 образуют два открытых резонатора: внешний и внутренний. Размеры D, D и D подбираются так, чтобы на рабочих частотах возбуждались резонансные колебания, соответствующие каким-либо модам резонаторов, тип которых выбирается исходя из требуемой ДН. Так для антенн спутниковой навигации необходимо иметь максимально равномерную ДН в передней полусфере. Для этого посредством системы питания, например, через соответствующие возбуждающие штыри 290 для внутренней и 291 для внешней пластинки, возбуждаются резонансные колебания, соответствующие модам ТМ, как во внутреннем, так и во внешнем резонаторах. Электромагнитная энергия подводится к каждой из пластинок, например, с помощью двух коаксиальных кабелей.
1
2in
2out
1
2
1
1
2
2
in
1
2out
2
1
2
1
2
2in
2out
1
2
1
Для обеспечения максимально широкой ДН размеры D, D и D выбираются так, чтобы во внутреннем резонаторе возбудить колебание на высокой частоте f, а во внешнем резонаторе возбудить колебание на низкой частоте f. В случае системы GPS частота f=1575 MHz соответствует центральной частоте высокочастотного диапазона L, а частота f=1227 MHz соответствует центральной частоте низкочастотного диапазона L. Наличие емкостной связи между внутренней пластинкой 22 и внешней пластинкой 23 в области закорачивающих элементов в виде вертикальных проводящих элементов 26 позволяет обеспечить размер D<0.5λ без использования диэлектрика в области внутреннего резонатора. Область внешнего резонатора может быть частично или полностью заполнена диэлектриком, например по краям пластинки 23 используется диэлектрик 28 так, чтобы D<0.5λ. Здесь λ и λ - соответственно длины волн в свободном пространстве на частотах f и f. Описанная конфигурация пластинок 22 и 23 позволяет уменьшить внутренний размер внешней пластинки D и, соответственно внешний размер D, не уменьшая при этом размера внутренней пластинки D. Это позволяет уменьшить габаритный размер антенны, расширить ДН и рабочую полосу частот в низкочастотном диапазоне с центральной частотой f, сохранив при этом требуемую полосу частот в высокочастотном диапазоне с центральной частотой f. Другое достоинство данной конструкции заключается том, что не происходит чрезмерного расширения ДН в высокочастотном диапазоне, благодаря чему не происходит увеличения уровня многолучевого сигнала при приеме сигнала со спутников системы GPS.
1
2
На фиг.3 показан другой вариант конструкции предложенной двухчастотной МПА антенны. Здесь и далее (на фиг.3-5, 7) на виде сверху показаны верхний и нижний слои металлизации, а диэлектрическое основание РСВ платы не показано. Также на этом виде не показан экран антенны. Внешняя пластинка 33 находится на нижней стороне РСВ платы, а внутренняя пластинка 32 - на верхней стороне РСВ платы. Благодаря этому длина Δ выступа 34 внутренней пластинки может быть больше, чем длина Δ выступа 35 внешней пластинки, что приводит к увеличению емкостной связи между внутренней и внешней пластинками. Это позволяет дополнительно уменьшить размер внутренней пластинки.
На фиг.4 показан вариант конструкции предложенной двухчастотной МПА, где внешняя пластинка 43 находится на верхней стороне РСВ платы, а внутренняя пластинка 44 - на нижней стороне РСВ платы.
На фиг.5 показан вариант конструкции, где внешняя пластинка 53 расположена на нижней стороне РСВ платы, а внутренняя пластинка состоит из диска 52 и набора сегментов 54. Диск 52 расположен на нижней стороне РСВ платы, а сегменты 54 расположены на верхней стороне РСВ платы. Диск 52 и сегменты 54 гальванически соединены с помощью металлизированных элементов 55, например отверстий или штырьков, проходящих через диэлектрическое основание РСВ платы.
На фиг.6 показан вариант конструкции, где вдоль периметра внешней пластинки 63 расположены емкостные элементы 64 и 65. Емкостные элементы 64 гальванически соединены с пластинкой 63, а элементы 65 гальванически соединены с экраном 61. Между элементами 64 и 65 имеется зазор t. На фиг.6а показаны варианты выполнения емкостных элементов в виде одного вертикального элемента 64, расположенного на краю пластинки 63, или одного вертикального элемента 65, расположенного на экране 61. Такие емкостные элементы позволяют дополнительно уменьшить размер внешней пластинки и избавиться от диэлектрического заполнения. Эти элементы могут быть выполнены, например, в виде металлических штырьков, тонких пластинок и подобных элементов, а гальваническое соединение с внешней пластинкой или экраном может выполняться путем пайки. Также эти элементы могут быть выполнены в виде одной детали совместно с внешней пластинкой 63 или экраном 61. Применение подобных емкостных элементов 64 и 65 не ограничивается указанным вариантом конструкции фиг.6 и они могут быть использованы вместо диэлектрика в вариантах антенны, показанной на фиг.2-5.
На фиг.7 показан вариант исполнения емкостных элементов в виде металлических штырьков 74, соединенных с одной стороны с металлическим экраном 71, а с другой стороны - с металлическими площадками 75, выполненными на РСВ плате. Металлические площадки 75 и внешняя пластинка 73 расположены на различных сторонах РСВ платы так, что между ними находится диэлектрик. На видах A и B фиг.7 показаны отдельно соответственно верхний и нижний слои металлизации. Внешняя пластина 73 имеет освобождения от металлизации напротив металлических площадок 75, так что бы обеспечить отсутствие контакта штырей 74 с пластиной 73.
На фиг.8 показан вариант конструкции антенны, где емкостные элементы 84 и вертикальные проводящие элементы, соединяющие внешнюю пластину 83 с экраном 81, выполнены в виде одной детали. Эта деталь фиг.8а может быть изготовлена из листового материала. Деталь содержит отверстие 88, сквозь которое проходит возбуждающий штырь 810, соединенный с коаксиальным кабелем.
На фиг.9 и 9b показан вариант конструкции антенны круговой поляризации, которая содержит экран 91, металлическую деталь 92, РСВ плату 93 и возбуждающие штыри внутреннего резонатора 94. Металлическая деталь 92 содержит емкостные штыри 921, закорачивающие штыри 922, а также возбуждающие штыри 923 внешнего резонатора. На видах A и B фиг.9 показаны отдельно соответственно верхний и нижний слои металлизации. РСВ плата 93 содержит: внутреннюю пластинку 931, внешнюю пластинку 932, набор емкостных площадок 933, схему питания, состоящую из микрополосковых линий 934 и навесных элементов 935, например квадратурных делителей мощности (мостов). Внутренняя пластинка 931 содержит: слой металлизации 9311 в виде диска на нижней стороне платы (вид B), набор проводящих элементов 9312 в виде выступов, расположенных на верхней стороне платы (вид A), металлизированные отверстия 9313, соединяющие каждый из упомянутые выше элементов 9312 с диском 9311. Внешняя пластинка 932 выполнена в виде слоя металлизации на нижней стороне РСВ платы 93. Закорачивающие элементы 922 вставляются в отверстия РСВ платы 93 и соединяются с внешней пластинкой 932, например, путем пайки. Емкостные штыри 921 вставляются в соответствующие отверстия РСВ платы 93 и соединяются с емкостными элементами РСВ платы 933 путем пайки. Возбуждающие штыри 923 и 94 вставляются в отверстия РСВ платы 93 и соединяются с выходными элементами схемы питания путем пайки, причем возбуждающие штыри 94 также соединяются с экраном 91, например, путем пайки.
Схема питания имеет два входа, соответствующие высокочастотному и низкочастотному диапазонам и восемь выходов. Она представляет собой два делителя мощности, при этом один делитель обеспечивает питание возбуждающих штырей внутреннего резонатора 94, второй делитель обеспечивает питание возбуждающих штырей 923 внешнего резонатора. Как для внешнего, так и для внутреннего резонаторов схема питания обеспечивает питание возбуждающих штырей со сдвигом фазы 90° между соседними штырями, благодаря чему достигается возбуждение сигнала круговой поляризации. Каждый делитель выполнен с использованием микрополосковых линий 934 и миниатюрных квадратурных делителей мощности 935. Ко входам схемы питания подключены коаксиальные кабели 95 и 96. По кабелю 95 подводится мощность, обеспечивающая питание внутреннего резонатора. Кабель 95, проходит через отверстие в центральной области РСВ платы 93 и экрана 91 и центральной жилой запаян на микрополосок 9341. По кабелю 96 подводится мощность, обеспечивающая питание внешнего резонатора. Он проходит вдоль одного из закорачивающих элементов 922 и центральной жилой соединяется с полоском 9342. Оплетка кабеля 96 соединяется с экраном РСВ платы. Выходы схемы питания соединяются с возбуждающими штырями 923 и 94.
Возбуждающие штыри 94 также могут быть выполнены в виде одной металлической детали (фиг.9а). В центре антенны может быть расположена металлическая трубка, соединяющая РСВ плату и экран для размещения питающих и сигнальных проводов. Выше описана конструкция антенны круговой поляризации с четырьмя возбуждающими штырями в каждом резонаторе. В другом варианте система возбуждения антенны круговой поляризации может содержать, по меньшей мере, по два возбуждающих штыря для каждого диапазона, обеспечивающих возбуждение электрического поля двух ортогональных поляризаций со сдвигом фазы 90° посредством квадратурного делителя мощности или любым другим известным для специалиста способом питания микрополосковых антенн.
Показанные на фигурах варианты выполнения антенны, в которой экран и излучающие пластинки выполнены в форме круга, не ограничивается такой формой. Эти элементы могут быть выполнены квадратной, прямоугольной или любой другой формы.
Хотя выше были описаны различные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что они были представлены только для примера и не должны ограничивать объем прав настоящего изобретения.