АНТЕННА-ФИЛЬТР
ANTENNA-FILTER

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны приемного устройства спутниковой навигации.
Печатные антенны, в том числе одиночные излучатели и решетки, нашли широкое применение в различных радиоэлектронных системах. К числу их достоинств относятся малые габариты, высокая технологичность и низкая стоимость, надежность и т.д. Известны простейшие печатные антенны, имеющие один диэлектрический слой, на поверхности которого нанесены металлические проводники (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). 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.
Известны также печатные антенны с круговой поляризацией. Они могут иметь форму круга (Wood С.Analysis of microstrip circular patch antenna. // Proc. IEEE AP. 1981. V.128. N2. P.69) или квадрата (Waterhause R. Small microstrip patch antenna. // Electron. Lett. 1995. V.31. N4. P.604) или близкую к ним. Точный выбор формы зависит от числа элементов возбуждения, которые используются для связи с внешней схемой. Если антенна имеет один элемент связи, то форма антенны, то есть форма полоскового проводника, близка к квадрату или кругу, но не совпадает с ними полностью. При использовании двух элементов связи антенна имеет строго круглую или квадратную форму. В общем случае ее форма должна иметь симметрию поворота на 90 градусов.
Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявленному изобретению является печатная антенна (патент РФ 1401530, Бычкова Л.В., Иванов В.Э., Панченко Б.А. Микрополосковая активная антенна), содержащая излучатель, выполненный на диэлектрической подложке, на одной поверхности которой расположен полосковый проводник, а на другой поверхности - металлический экран, примыкающий одной стороной к диэлектрической подложке, основной полосковый резонатор, расположенный на противоположной стороне металлического экрана, и элемент связи основного полоскового резонатора с излучателем. Недостатком такой антенны является малая прямоугольность частотной характеристики ее коэффициента усиления (КУ), а также большие поляризационные потери мощности при приеме и передаче волн круговой поляризации. Печатная антенна представляет собой СВЧ резонатор, связанный с СВЧ генератором на полупроводниковом диоде, который излучает в свободное пространство волны линейной поляризации с максимальной интенсивностью на одной частоте. В этом случае частотная характеристика КУ совпадает с характеристикой одиночного резонансного контура.
В то же время создание антенны-фильтра с прямоугольной частотной характеристикой КУ представляет интерес с точки зрения совмещения функций приема/передачи сигналов и их частотной селекции. Такое совмещение функций избавляет от необходимости применения дополнительных элементов
приемопередающего тракта в виде полосовых фильтров, что снижает стоимость и повышает технологичность различных радиоэлектронных систем. Важным показателем качества антенны является возможность ее работы с волнами круговой поляризации, которые используются для передачи информации во многих радиоэлектронных системах, например в системах спутниковой навигации. Поэтому представляет интерес создание антенны-фильтра, которая наряду с выполнением функции частотной селекции имела бы малые поляризационные потери мощности, которые характеризуются коэффициентом эллиптичности (КЭ).
Предлагаемое техническое решение нацелено на получение технического результата, выражающегося в формировании частотной характеристики КУ повышенной степени прямоугольности, что избавляет от необходимости применения дополнительных элементов приемопередающего тракта в виде полосовых фильтров и таким образом снижает стоимость и повышает технологичность радиоэлектронных систем. Кроме того, получаемый технический результат выражается в повышении КЭ антенны-фильтра до значений, обеспечивающих эффективный прием и передачу волн круговой поляризации.
Предлагаемая антенна-фильтр, содержащая излучатель, выполненный на диэлектрической подложке, на одной поверхности которой расположен полосковый проводник, а на другой поверхности металлический экран, примыкающий одной стороной к диэлектрической подложке, основной полосковый резонатор, расположенный на противоположной стороне металлического экрана, и элемент связи основного полоскового резонатора с излучателем, решает задачу повышения прямоугольности частотной характеристики коэффициента усиления и уменьшения поляризационных потерь при приеме и передаче волн круговой поляризации.
Эта задача решается за счет введения дополнительного полоскового резонатора, элемента связи дополнительного полоскового резонатора с излучателем и квадратурного сумматора мощности, дополнительный полосковый резонатор и элемент связи дополнительного полоскового резонатора с излучателем выполнены идентичными основному полосковому резонатору и элементу связи основного полоскового резонатора с излучателем, элементы связи основного и дополнительного полосковых резонаторов с излучателем выполнены в виде металлических проводников, расположенных перпендикулярно металлическому экрану, причем металлический проводник элемента связи основного полоскового резонатора с излучателем имеет электрический контакт с проводником основного полоскового резонатора, а металлический проводник элемента связи дополнительного полоскового резонатора с излучателем имеет электрический контакт с проводником дополнительного полоскового излучателя, указанные металлические проводники погружены внутрь излучателя через отверстия, выполненные в металлическом экране, полосковый проводник излучателя выполнен в форме, имеющей симметрию поворота на девяносто градусов, относительно оси, перпендикулярной полосковому проводнику и проходящей через его центр, а оси металлических проводников элементов связи основного и дополнительного полосковых резонаторов с излучателем расположены на одинаковом расстоянии от центра полоскового проводника излучателя, причем линии, соединяющие центр полоскового проводника излучателя с осями металлических проводников элементов связи основного и дополнительного полосковых резонаторов с излучателем, образуют прямой угол, боковые плечи квадратурного сумматора мощности соединены с проводниками основного и дополнительного полосковых резонаторов в точках, расположенных на одинаковом расстоянии от концов указанных проводников.
Возможен дополнительный вариант выполнения антенны-фильтра, в котором с целью уменьшения размеров основного и дополнительного полосковых резонаторов они выполнены с полосковыми проводниками, закороченными на одном конце, причем точки соединения боковых плеч квадратурного сумматора мощности с полосковыми проводниками основного и дополнительного полосковых резонаторов расположены на одинаковом расстоянии от закороченных концов упомянутых полосковых проводников.
На фиг.1 показан один из возможных вариантов выполнения антенны-фильтра, предназначенный для приема и передачи волн круговой поляризации. Антенна-фильтр содержит излучатель, выполненный в виде полоскового проводника (1), нанесенного на диэлектрическую подложку (2) излучателя. К нижней поверхности диэлектрической подложки (2) излучателя примыкает металлический экран (3). С другой стороны от поверхности металлического экрана (3) расположены основной и дополнительный полосковые резонаторы, выполненные в виде полуволновых отрезков полосковых линий с разомкнутыми концами. Отрезки полосковых линий имеют диэлектрические подложки (4), (5), на которых расположены полосковые проводники (6), (7) основного и дополнительного полосковых резонаторов. Основной и дополнительный полосковые резонаторы в качестве вторых проводников используют металлический экран (3). Основной и дополнительный полосковые резонаторы выполнены идентичными. Основной и дополнительный полосковые резонаторы связаны с излучателем посредством элементов связи. Элементы связи выполнены в виде идентичных металлических проводников (8) и (9), которые имеют электрический контакт с полосковыми проводниками (6) и (7). Металлические проводники погружены внутрь диэлектрической подложки (2) излучателя, а их оси ориентированы перпендикулярно металлическому экрану (3). Полосковые проводники (6) и (7) соединены с боковыми плечами (11), (12) квадратурного сумматора (10) мощности. При этом точки соединения полосковых проводников (6) и (7) с боковыми плечами (11), (12) квадратурного сумматора (10) мощности расположены на одинаковом расстоянии от концов полосковых проводников (6) и (7). Центральное плечо (13) квадратурного сумматора (10) мощности является выходом (входом) антенны-фильтра. Полосковый проводник (1) излучателя имеет форму геометрической фигуры, обладающей симметрией вращения относительно оси, перпендикулярной плоскости полоскового проводника (1) и проходящей через его центр. В частном случае, показанном на фиг.1, полосковый проводник (1) имеет квадратную форму. Металлические проводники (8) и (9) элементов связи расположены на одинаковом расстоянии от центра полоскового проводника (1) таким образом, что угол между линиями, соединяющими их оси с центром полоскового проводника (1), равен 90°.
Рассмотрим функционирование антенны-фильтра. Поскольку антенна-фильтр при условии взаимности квадратурного сумматора (10) мощности является взаимным устройством, то она одинаково работает как на прием, так и на передачу радиоволн. Удобнее рассматривать ее работу в передающем режиме.
Пусть на вход антенны-фильтра (13) поступает сигнал с частотой, значение которой находится в рабочей полосе частот антенны-фильтра. Этот сигнал делится на две равные части в боковых плечах (11), (12) квадратурного сумматора мощности (10). При этом разность фаз между сигналами в боковых плечах (11), (12) равна 90°. Эти сигналы возбуждают основной и дополнительный полосковые резонаторы.
0
Излучатель, выполненный в виде полоскового проводника (1), имеет форму, обладающую симметрией поворота на 90°. Благодаря этому в излучателе существуют два ортогональных колебания, электромагнитные поля и электрические токи которых по амплитуде и фазе идентичны друг другу, но отличаются только поворотом на угол 90°. Будем называть их колебаниями a и b. Эти колебания имеют одинаковые резонансные частоты f. На фиг.2 показана ориентация текущих по поверхности полоскового проводника (1) электрических токов  ортогональных колебаний. Индексы a и b показывают, что данная величина относится к колебанию a или b.
0
Благодаря идентичности резонансных частот ортогональных колебаний a и b из них всегда можно получить два новых ортогональных колебания с одинаковыми резонансными частотами, равными f. Их отличие от исходных колебаний состоит только в направлении электрических токов, которые повернуты относительно исходных токов на некоторый угол, как показано на фиг.3, а. Однако при этом токи новых колебаний по-прежнему текут в направлениях, перпендикулярных друг другу. Новые колебания являются линейной комбинацией колебаний a и b.
Элементы связи основного и дополнительного полосковых резонаторов с излучателем, выполненные в виде металлических проводников (8) и (9), возбуждают в излучателе его собственные колебания. Каждый элемент связи возбуждает в излучателе такую линейную комбинацию собственных колебаний, что ее электрический ток течет вдоль линии, соединяющей центр полоскового проводника (1) О и точку А, в которой расположен элемент связи (см. фиг.3, б). По этой причине если элементы связи размещены таким образом, что линии, соединяющие центр полоскового проводника (1) с осями металлических проводников (8) и (9) элементов связи, образуют прямой угол, то электрические токи, которые возбуждают элементы связи в излучателе, также ортогональны.
С точки зрения функционирования антенны-фильтра направление, вдоль которого текут токи каждого колебания в излучателе, не имеет значения. Важно только, чтобы токи, возбуждаемые каждым из элементов связи, были ортогональны друг другу. Поэтому далее для простоты будем рассматривать размещение элементов связи, показанное на фиг.1. При таком их расположении один из элементов связи возбуждает колебание а, а другой колебание b.
0
Резонансные частоты основного и дополнительного полосковых резонаторов в отсутствие элементов связи с излучателем совпадают с частотой f. В варианте, изображенном на фиг.1, полосковые проводники (6) и (7) не имеют контакта с металлическим экраном (3). Поэтому на их концах выполняются условия, близкие к условию холостого хода. Резонанс в резонаторе такого типа наступает при выполнении следующего условия:
где L - длина полоскового проводника (6) или (7), а ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала, на котором расположены полосковые проводники (6) и (7).
Наличие электромагнитной связи приводит к формированию в излучателе и двух полосковых резонаторах двух независимых систем колебаний. Одна система образована за счет взаимодействия колебания основного или дополнительного полоскового резонатора и колебания а излучателя, а другая - за счет взаимодействия колебания дополнительного или основного полоскового резонатора и колебания b излучателя. Назовем их системами колебаний a и b.
При возбуждении одного из полосковых резонаторов возбуждается одна из двух систем колебаний. Поэтому сигналы в боковых плечах квадратурного сумматора (10) мощности независимо возбудят разные системы колебаний. Поля и токи в системах колебаний a и b сдвинуты по фазе на 90° благодаря отмеченному выше сдвигу фаз между сигналами в боковых плечах квадратурного сумматора (10) мощности.
Электрические токи, текущие по поверхности полоскового проводника (1), излучают в свободное пространство. При этом токи ортогональных колебаний ориентированы в пространстве под углом 90° и имеют сдвиг фаз в 90°. Из теории антенн известно, что такие токи возбуждают в свободном пространстве волны круговой поляризации. Для описания поляризационных характеристик антенн вводят КЭ, который у идеальной антенны круговой поляризации равен единице. Поляризационные потери, обусловленные отличием поляризационных параметров реальной антенны от идеальных, однозначно связаны с КЭ.
Электрические токи систем колебаний a и b для оптимальной антенны круговой поляризации должны иметь одинаковую амплитуду и фазовый сдвиг, равный 90°. Фазовый сдвиг, как отмечалось выше, создается квадратурным сумматором (10) мощности. Идентичность амплитуд токов обеспечивается идентичностью каналов формирования систем колебаний a и b. С этой целью основной и дополнительный полосковые резонаторы, а также их элементы связи с излучателем выполнены идентичными. Таким образом достигается цель изобретения - уменьшение поляризационных потерь при приеме и передаче волн круговой поляризации.
Далее рассмотрим формирование частотной характеристики антенны-фильтра. Под частотной характеристикой будем понимать зависимость ее КУ от частоты. В рассматриваемой антенне-фильтре поле излучения круговой поляризации создается путем сложения в свободном пространстве двух полей излучения с ортогональными линейными поляризациями. Одно из таких полей создается токами системы колебаний a, а другое - токами системы колебаний b. Поскольку, как было отмечено выше, каналы формирования указанных систем колебаний имеют близкие параметры, то нам достаточно рассмотреть, как формируется частотная характеристика в одном из них.
В общем случае частотная зависимость КУ антенны определяется двумя факторами. Первый - это зависимость от частоты пространственного распределения токов излучения и второй - это зависимость от частоты амплитуды их возбуждения.
В рассматриваемой антенне-фильтре в свободное пространство должен излучать только сам излучатель. Излучение основного и дополнительного полосковых резонаторов, а также излучение других элементов устройства нежелательно и имеет характер паразитного эффекта. Для его уменьшения целесообразно выбирать расстояние между полосковыми проводниками (6) и (7) основного и дополнительного полосковых резонаторов и металлическим экраном (3) минимально возможным [Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. - М.: Радио и связь, 1986]. Кроме того, полезно закрыть полосковые резонаторы и квадратурный сумматор (10) мощности дополнительным экраном, исключающим связь указанных элементов со свободным пространством.
Таким образом, при правильном выборе параметров антенны-фильтра излучение в свободное пространство происходит исключительно благодаря токам, текущим по полосковому проводнику (1) излучателя. Известно, что полосковые излучатели имеют размеры, приблизительно равные половине длины волны в диэлектрической подложке (2), которая при использовании диэлектриков с проницаемостью больше 10 существенно меньше половины длины волны в свободном пространстве. Поэтому такие излучатели относятся к классу малоразмерных излучателей. Распределение токов в них слабо зависит от частоты, а диаграмма направленности излучения близка к диаграмме направленности элементарного излучателя: электрического или магнитного диполя.
Поэтому частотная зависимость пространственного распределения излучающих токов не оказывает существенного влияния на формирование частотной зависимости КУ антенны-фильтра. Основным фактором является частотная зависимость амплитуды возбуждения токов излучения.
1,2
2
1
Пусть на вход (13) антенны-фильтра поступает сигнал с частотой, значение которой близко к рабочей полосе частот антенны-фильтра. Этот сигнал разделяется на две равные части в квадратурном сумматоре (10) мощности. Сигналы с боковых плеч (11) и (12) квадратурного сумматора (10) мощности возбуждают системы связанных колебаний a и b. Для объяснения частотной зависимости амплитуды возбуждения токов излучения рассмотрим одну из систем колебаний. Она состоит из двух колебаний, которые имеют разные резонансные частоты f. Частотный интервал Δf=f-f определяется степенью связи между полосковым резонатором и излучателем. Уровень указанной связи задается глубиной погружения металлических проводников (8) и (9) в диэлектрическую подложку (2) излучателя. Чем больше глубина погружения, тем больше частотный интервал Δf.
1
2
На фиг.4 показаны расчетные зависимости амплитуд колебаний от частоты. Кривая (14) соответствует колебанию с резонансной частотой f, а кривая (15) - колебанию с резонансной частотой f. Кривая (16) соответствует амплитуде суммарного поля, являющегося суперпозицией полей двух собственных колебаний. Из фиг.4 видно, что зависимость от частоты результирующего поля в системе двух связанных резонаторов, а следовательно, и амплитуда излучающих токов имеет форму, более близкую к прямоугольной, чем в случае одиночного колебания. Таким образом достигается цель изобретения - повышение прямоугольности частотной зависимости КУ антенны-фильтра.
Вариант выполнения антенны-фильтра с основным и дополнительным полосковыми резонаторами с уменьшенными размерами показан на фиг.5. Он отличается тем, что полосковые проводники (6) и (7) основного и дополнительного полоскового резонаторов соединены с металлическим экраном (3) перемычками (17). В резонаторе такого типа на одном конце выполняются условия холостого хода, а на другом - короткого замыкания. Благодаря этому условие резонанса принимает следующий вид:
Из соотношения (2) видно, что в рассматриваемом варианте выполнения антенны-фильтра длина полосковых проводников (6) и (7) может быть уменьшена вдвое по сравнению с рассмотренным выше случаем (см. формулу (1)). Уменьшение размеров полосковых резонаторов облегчает задачу их размещения в пределах области, ограниченной металлическим экраном (3), без увеличения общих габаритных размеров антенны-фильтра.
Квадратурный сумматор (10) мощности может быть выполнен различным образом, например в виде полоскового реактивного делителя на два канала, который показан на фиг.6, или в виде полоскового делителя мощности с балансным сопротивлением (см. фиг.7). Последний выгодно отличается от реактивного делителя согласованием и развязкой боковых плеч, что исключает взаимное влияние систем колебаний a и b друг на друга. Однако в полосковом исполнении такие делители имеют большие габаритные размеры, обусловленные присутствием в конструкции делителя четвертьволновых отрезков линий передачи. Поэтому на практике часто используют делители мощности в виде навесных микросхем, которые имеют согласованные и развязанные входы и весьма малые габариты. Центральное плечо (13) и боковые плечи (11) и (12) в вариантах, показанных на фиг.6, 7, выполняются в виде микрополосковых линий передачи. Фазовый сдвиг сигналов в боковых плечах достигается за счет выполнения микрополосковых линий передачи в боковых плечах (11) и (12) с длиной, отличающейся на четверть длины волны в микрополосковой линии передачи.
Квадратурный сумматор (10) мощности в антенне-фильтре, работающей на прием, может быть выполнен в виде реактивного делителя мощности, показанного на фиг.6, в боковые плечи которого включены малошумящие усилители. Наличие усилителей обеспечивает развязку боковых плеч устройства и независимое функционирование двух систем колебаний.
На фиг.8, 9, 10 представлены экспериментальные характеристики антенны-фильтра с квадратурным сумматором (10) мощности в виде балансного полоскового делителя. На фиг.8 показана частотная зависимость коэффициента отражения, а на фиг.9 - частотная зависимость КУ, а на фиг.10 - частотная зависимость КЭ.
Кривая (18) на фиг.9 показывает частотную зависимость одиночного полоскового излучателя, а кривая (19) - антенны-фильтра. Видно, что применение антенны-фильтра позволяет приблизить частотную характеристику антенны к типичному для двухзвенных фильтров виду. Благодаря этому достигается цель изобретения - повышение прямоугольности частотной характеристики. Из фиг.10 видно, что КЭ в широкой полосе частот близок к единице (нулю в децибелах).
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, предназначено для использования 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: получить частотную характеристику повышенной степени прямоугольности, что избавляет от необходимости применения дополнительных элементов приемопередающего тракта в виде полосовых фильтров и таким образом снижает стоимость и повышает технологичность радиоэлектронных систем, также антенное устройство позволяет снизить поляризационные потери при приеме и передаче волн круговой поляризации, которые используются в различных радиоэлектронных системах.