Активная приемопередающая антенна Широкова
SHIROKOV'S ACTIVE TRANSCEIVER ANTENNA

Изобретение принадлежит к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи, радионавигации, радиолокации, системах радиочастотной идентификации.
Известны активные антенны (см. например кн. Должиков В. В., Цыбаев Б. Г. Активные передающие антенны. — М., 1984, или кн. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д. И. Воскресенского. Изд. 4-е, доп. и перераб. — М.: Радиотехника, 2003). Активная антенна — антенна, содержащая в своей структуре активные устройства, в частности усилители мощности (передающая активная антенна) или малошумящие усилители (приемная активная антенна). Чаще всего активной антенной является антенная решетка. При этом использование активных устройств в передающей активной антенне позволяет компенсировать потери в трактах и обеспечивать оптимальное распределение амплитуд и фаз токов по излучающей апертуре. Приемная активная антенна со встроенными малошумящими усилителями имеет существенно большее отношение сигнал/шум на входе приемника по сравнению с аналогичной пассивной антенной. Однако описанные активные антенны предназначены либо для приема сигналов, либо для их излучения. При этом представляет особый интерес построение приемопередающей активной антенны, способной как принимать сигналы, так и излучать их, причем делать это одновременно.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению относится Патент на изобретение России № 2594343, Россия. МПК H01Q 13/10 (2006.01), H01Q 23/00 (2006.01), «Активная приемопередающая антенна Широкова», опубл. 10.08.2016, Бюл. №22. Активная приемопередающая антенна содержит полевой транзистор, микрополосковую антенну на диэлектрической подложке, экранирующую пластину, блокировочный конденсатор, разъем ввода/вывода микроволновых сигналов. При этом микрополосковая антенна дополнительно имеет три вывода, соединенные в ее различных модификациях с полевым транзистором и с экранирующей пластиной. Указанная антенна способна принимать микроволновые сигналы, а затем их усиливать регенеративным усилителем, работая при этом в режиме приема. В тоже время антенна способна сначала усиливать микроволновые сигналы тем же самым регенеративным усилителем, а затем их излучать в свободное пространство, работая при этом в режиме передачи. Причем никаких переключений режимов работы антенны не происходит. Более того, антенна способна одновременно и принимать и передавать сигналы.
Однако, указанная антенна в качестве активного элемента содержит полевой транзистор, два вывода которого (затвор и исток) подключены через отверстия в заземляющей пластине и излучающему элементу в двух его точках, разнесенных на известное расстояние. Поскольку это расстояние имеет место быть, то транзистор нельзя при этом рассматривать как точечный элемент с нулевой длиной его выводов (затвор и исток). При этом в конструкции антенны присутствуют проводники известной длины, соединяющие затвор и исток транзистора с излучающим элементом антенны. Эти проводники обладают на рабочей частоте антенны известной паразитной индуктивностью и емкостью, что затрудняет расчет всей антенны и неизбежно ухудшает ее усилительные свойства. При моделировании антенны в среде проектирования Microwave Office было замечено, что с уменьшением рабочей частоты антенны усиление антенны уменьшается, а не увеличивается, как это ожидалось, учитывая частотные свойства транзистора. Данный эффект можно объяснить тем, что увеличиваются сами размеры излучающего элемента антенны и, как следствие, увеличивается расстояние между точками подключения электродов транзистора к излучающему элементу. Это, в свою очередь, приводит к увеличению паразитных индуктивностей выводов и снижению усиления антенны в целом. Для примера, на фиг. 1 показаны результаты моделирования активной приемопередающей антенны по патенту № 2594343 на рабочей частоте 1,325 ГГц. Как видно из рисунка, дополнительное усиление антенны (разница между коэффициентами передачи собственно самой электромагнитной структуры и структуры с полевым транзистором) составляет всего 13 дБ, что и является дополнительным усилением антенны за счет присутствия активного элемента. Для сведения, дополнительное усиление антенны, изготовленной по той же конструкции на более высоких частотах (меньшие размеры излучающего элемента), было более высоким, например, на частоте 1,6 ГГц дополнительное усиление антенны составляло около 18 дБ.
В основу изобретения поставлена задача повышения усиления активной приемопередающей антенны вне зависимости от рабочей частоты и размеров излучающего элемента антенны. Поставленная задача достигается следующим образом.
Активная приемопередающая антенна, содержащая полевой транзистор, микрополосковую антенну на диэлектрическом подложке, экранирующую пластину, блокировочный конденсатор, причем микрополосковая антенна имеет четыре вывода, расположенные на одной ее осевой линии, причем первый вывод находится в центре микрополосковой антенны, второй вывод смещен от центра к краю на некоторое известное расстояние и третий вывод смещен от центра еще дальше к тому же краю на некоторое другое известное расстояние, при этом первый вывод микрополоской антенны соединен с экранирующей пластиной, которая соединена также с общим проводом питания, при этом второй вывод микрополосковой антенны проходит через первое отверстие в экранирующей пластине, а третий вывод микрополосковой антенны проходит через второе отверстие в экранирующей пластине и соединен с затвором полевого транзистора, при этом сток полевого транзистора соединен с первым выводом блокировочного конденсатора, второй вывод которого соединен с экранирующей пластиной, при этом на сток полевого транзистора подают напряжение питания активного элемента, при этом четвертый вывод микрополосковой антенны проходит через третье отверстие в экранирующей пластине и соединен с высокочастотным разъемом, при этом четвертый вывод расположен на известном расстоянии на той же оси, что и первые три вывода микрополосковой антенны, причем четвертый вывод может быть расположен как справа, так и слева от первого вывода, соединяющего центр микрополосковой антенны с экранирующей пластиной, при этом на высокочастотный разъем подают радиочастотный сигнал, который затем усиливают полевым транзистором и излучают микрополосковой антенной электромагнитную волну, вместе с тем микрополосковой антенной принимают электромагнитную волну, которую затем усиливают полевым транзистором и на высокочастотном разъеме снимают радиочастотный сигнал, причем прием и излучение сигналов можно производить одновременно, причем отводы микрополосковой антенны, параметры полевого транзистора и напряжение внешнего смещения, подаваемого на электроды полевого транзистора, подобраны таким образом, чтобы не выполнялось условие самовозбуждения схемы и генерации сигналов, при этом используют различные типы полевых транзисторов, отличающиеся по количеству электродов (один затвор или два затвора) и различные способы подачи на электроды полевого транзистора напряжения смещения, обеспечивающее требуемое усиление активной антенны при отсутствии самовозбуждения всей схемы,
отличающаяся тем, что второй вывод микрополосковой антенны, который пропускают через первое отверстие в экранирующей пластине, соединен с первым сигнальным выводом отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи известной длины, первый заземляющий вывод которой соединен с экранирующей пластиной в непосредственной близости от первого отверстия в экранирующей пластине, а второй сигнальный вывод отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи известной длины соединен с истоком полевого транзистора, а второй заземляющий вывод отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи известной длины соединен с экранирующей пластиной в непосредственной близости от места физического расположения истока полевого транзистора, при этом длину отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи выбирают заведомо больше расстояния между вторым и третьим выводами микрополосковой антенны.
Сравнение предполагаемого изобретения с уже известным прототипом показывает, что заявляемое устройство проявляет новые технические свойства, заключающиеся в обеспечении высокого усиления активной приемопередающей антенны при любых размерах излучающего элемента (собственно микрополосковой антенны) и, соответственно, при любой рабочей частоте антенны. Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в устройстве прототипе, в силу присущих им недостатков, обусловленных наличием дополнительных проводников (удлинении выводов транзистора) вызывает появление паразитных конструктивных индуктивностей и емкостей, что снижает усиление антенны с уменьшением рабочей частоты (увеличением размеров излучающего элемента). В заявляемом устройстве длины выводов полевого транзистора (первого или единственного затвора и истока) могут быть предельно малыми, обеспечивающими исключительно их пайку к элементам конструкции. При этом первый или единственный затвор транзистора подпаивается непосредственно к третьему выводу микрополосковой антенны (отрезок провода или вывод самого транзистора), проходящего через второе отверстие в экранирующей пластине. Длина этого отрезка провода может быть предельно малой, она определяется, в основном, толщиной диэлектрической пластины микрополоскового излучающего элемента активной антенны. Исток транзистора подпаивается ко второму сигнальному концу отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи известной длины. Длина этого вывода транзистора может быть предельно малой, обеспечивающей собственно пайку электрода транзистора к сигнальному концу отрезка линии передачи. При этом первый конец отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи известной длины подпаивается ко второму выводу микрополосковой антенны, проходящему через первое отверстие в экранирующей пластине, представляющего собой отрезок провода предельно малой длины, определяемом, в основном, толщиной диэлектрической пластины микрополоскового излучающего элемента активной антенны. При этом длину отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи выбирают заведомо больше, чем расстояние между вторым и третьим выводами микрополосковой антенны.
Указанную активную приемопередающую антенну можно реализовать по схеме, приведенной на фиг.2.
Не сужая рамки реализации конструкции, рассмотрим только вариант использования двухзатворного полевого транзистора, как обеспечивающего наибольшую простоту подачи регулирующих напряжений смещения и имеющего наименьшее количество элементов схемы. Другие схемы подключения полевого транзистора с одним затвором подробно рассмотрены в прототипе (Патент на изобретение России № 2594343).
Активная приемопередающая антенна состоит из высокочастотного разъема подачи и съема радиочастотных сигналов 1, микрополосковой антенны 2, расположенной на диэлектрической подложке 3 с экранирующей пластиной 4, имеющей первое отверстие 5, второе отверстие 6, третье отверстие 7, блокировочного конденсатора 8, клеммы подачи напряжения питания 9, полевого транзистора 10 с двумя затворами, клеммы подачи напряжения управления постоянного тока 11, отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи 12, причем микрополосковая антенна выполнена с отводами (выводами), расположенными по ее оси на известном расстоянии друг от друга, при этом микрополосковая антенна имеет четыре вывода.
При этом первый вывод микрополосковой антенны 2 расположен в ее центре и соединен с экранирующей пластиной 4, которая соединена с общим проводом, второй вывод микрополосковой антенны 2 через первое отверстие 5 в экранирующей пластине 4 соединен с первым сигнальным выводом отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи 12, первый заземляющий вывод которого соединен с экранирующей пластиной в непосредственной близости от первого отверстия 5, а второй сигнальный вывод отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи 12 соединен с истоком полевого транзистора 10, а второй заземляющий вывод отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи 12 соединен с заземляющей пластиной в месте физического расположения истока полевого транзистора 10, при этом третий вывод микрополосковой антенны 2 через второе отверстие 6 в экранирующей пластине 4 соединен с первым затвором полевого транзистора 10, второй затвор которого соединен с клеммой подачи напряжения управления постоянного тока 11, при  этом четвертый вывод микрополосковой антенны 2 через третье отверстие 7 в экранирующей пластине 4 соединен с высокочастотным разъемом подачи и съема радиочастотных сигналов 1, при этом сток полевого транзистора 10 соединен с первым выводом блокировочного конденсатора 8 и с клеммой подачи напряжения питания 9, а второй вывод блокировочного конденсатора 8 соединен с экранирующей пластиной 4, которая соединена с общим проводом.
Активная приемопередающая антенна может работать одновременно как на прием, так и на передачу.
Рассмотри режим приема. Микрополосковая антенна 2 на диэлектрической подложке 3 с экранирующей пластиной 4 образуют структуру, способную преобразовывать принимаемые электромагнитные волны в электрические сигналы. При приеме электромагнитных волн на третьем выводе микрополосковой антенны 2 наводится радиочастотный сигнал (напряжение),  который поступает на первый затвор полевого транзистора 10 напрямую. Это радиочастотное напряжение вызывает появление синфазного тока через канал полевого транзистора 10, который частично протекает через микрополосковую антенну 2 за счет соединения истока полевого транзистора 10 со вторым сигнальным выводом отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи 12, первый сигнальный вывод которого соединен со вторым выводом микрополосковой антенны 2. При этом ток через микрополосковую антенну 2 в ее части между первым и вторым выводами, оказывается синфазным входному сигналу (напряжению). Синфазность тока через микрополосковую антенну 2 в ее части между первым и вторым выводами входному сигналу (напряжению) достигается соответствующим выбором длины отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи 12. Надо понимать, что синфазность сигналов достигается периодически при изменении длины отрезка в широких пределах. Важно, чтобы длина отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи 12 была заведомо больше расстояния между вторым и третьим выводами микрополосковой антенны. При достижении синфазности сигналов реализуется положительная обратная связь и осуществляется регенеративное усиление радиочастотного сигнала. Максимальной величины усиление схемы достигает при резонансе колебательной системы, образованной микрополосковой антенной 2 и входной емкостью полевого транзистора 10. Выходной усиленный радиочастотный сигнал снимают с четвертого вывода микрополосковой антенны 2 и подают на высокочастотный разъем подачи и съема радиочастотных сигналов 1. При этом положение четвертого вывода микрополосковой антенны 2 выбирают с точки зрения согласования входного/выходного сопротивления активной антенны с волновым сопротивлением входного/выходного фидера.
В режиме передачи радиочастотный сигнал через высокочастотный разъем подачи и съема радиочастотных сигналов 1 подают на четвертый вывод микрополосковой антенны 2. При этом на третьем выводе микрополосковой антенны 2 наводится радиочастотный сигнал (напряжение), синфазный с входным сигналом. Синфазный наведенный сигнал поступает на первый затвор полевого транзистора 10 напрямую. Это радиочастотное напряжение вызывает появление синфазного тока через канал полевого транзистора 10, который частично протекает через микрополосковую антенну 2 за счет соединения истока полевого транзистора 10 со вторым сигнальным выводом отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи 12, первый сигнальный вывод которого соединен со вторым выводом микрополосковой антенны 2. При этом ток через микрополосковую антенну 2 в ее части между первым и вторым выводами, оказывается синфазным с входным сигналом (напряжением). Другими словами реализуется положительная обратная связь и осуществляется регенеративное усиление радиочастотного сигнала. Выходной усиленный радиочастотный сигнал излучается структурой, образованной микрополосковой антенной 2 на диэлектрической подложке 3 с экранирующей пластиной 4.
Первый вывод микрополосковой антенны 2, соединенный с экранирующей пластиной 4 и с общим проводом, обеспечивает замыкание цепи по постоянному току, подавая тем самым напряжение питания на исток полевого транзистора 10. Это замыкание микрополосковой антенны 2 на общий провод через её первый вывод не оказывает никакого влияния на резонансную цепь микрополосковой антенны, поскольку этот вывод находится в центре микрополосковой антенны 2 и при резонансе амплитуда колебаний напряжения в этой точке колебательной системы равна нулю.
Входные и выходные радиочастотные сигналы разделяют, при необходимости, любым известным методом, например с помощью направленного ответвителя или циркулятора.
Блокировочный конденсатор 8 служит для соединения стока полевого транзистора 10 по переменному току с общим проводом. Напряжение питания активной антенны подают через клемму 9 на сток полевого транзистора 10.
Принципиальная схема заявляемой активной приемопередающей антенны напоминает традиционный генератор высокочастотных колебаний, построенный по схеме индуктивной трехточки (генератор Хартли). Однако в заявляемой активной приемопередающей антенне отводы микрополосковой антенны 2, параметры полевого транзистора 10, а также регулирующее напряжение, подаваемое на второй затвор полевого транзистора подобраны таким образом, чтобы условие самовозбуждения схемы не выполнялось и генерации сигналов  не наступало. При этом, чем точнее и ближе само расположение второго вывода микрополосковой антенны 2, параметры полевого транзистора 10 и значение управляющего напряжения, подаваемого на клемму 11, соответствуют выполнению условию самовозбуждения схемы, тем больше коэффициент усиления активной антенны. Дополнительно усиление антенны можно регулировать изменением длины отрезка микрополосковой или коаксиальной линии передачи 12.
Представляется следующий путь выбора указанных параметров. Определяется критический режим работы активной антенны, при котором начинает выполняться условие самовозбуждения схемы, после чего один из указанных параметров, если это возможно, изменяют, например, на 10% в сторону срыва процесса генерации. При этом обеспечивают стабильную работу активной приемопередающей антенны в широком диапазоне изменения дестабилизирующих факторов и при широком разбросе параметров электронных компонентов схемы активной антенны при ее массовом производстве.
Работа активной приемопередающей антенны была промоделирована в среде проектирования Microwave Office. Моделирование проведено для обоих режимов: приема и передачи. Результат моделирования показан на фиг. 3. Видно, что дополнительное усиление антенны в обоих режимах достигает величины более 26 дБ при рабочей частоте 1,325 ГГц. При этом для антенны прототипа по патенту № 2594343 усиление составляло всего 13 дБ. При этом в обоих случаях использовалась одна и та же модель электромагнитной структуры и одна и та же электрическая схема. В качестве линии передачи использовался отрезок микрополосковой линии. При этом по патенту прототипу длина отрезка микрополосковой линии передачи была равной нулю, а по заявляемому устройству эта длина была равной около 150 мм, и это было единственное отличие моделируемых структур.
Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности строить простые, надежные, стабильные в работе и потребляющие малое количество энергии активные приемопередающие антенны.
Другой аспект повышения эффективности от использования предполагаемого изобретения связан с возможностью использования заявляемой активной приемопередающей антенны в качестве элемента фазированной антенной решетки. Простота конструкции, надежность в работе, малое потребление энергии в сочетании с большим коэффициентом усиления делает заявляемую активную приемопередающую антенну исключительно полезной во всех областях радиотехники.