АНТЕННА ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ТИПА НА МНОГОСЛОЙНОЙ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ

Область техники, к которой относится полезная модель
Предлагаемое устройство относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи, радиолокации и системах приема передач спутникового телевизионного и радиовещания диапазонов сверхвысоких частот (СВЧ) и крайне высоких частот (КВЧ).
Уровень техники
Известна антенна отражательного типа на основе печатной платы с микрополосковыми элементами, размеры которых намного меньше длины волны [P.Nayeri, F.Yang, A.Z.Elsherbeni. Bandwidth improvement of reflect array antennas using closely spaced elements. Progress in Electromagnetics Research C, vol.18, 19-29, 2011]. Малые размеры отражательных элементов позволяют разместить их на плоскости антенны с шагом меньшим, чем половина длины волны. Размеры элементов меняются в зависимости от места расположения отражательного элемента на плоскости антенной решетки, что позволяет изменять фазу отраженного сигнала для получения плоского фронта волны относительно выбранного направления.
Недостатками данной антенны являются невозможность управления диаграммой направленности (ДН) и узкий диапазон рабочих частот.
Известна плоская антенна отражательного типа с отражательными элементами планарного типа, каждый из которых размещен на отдельном микродвигателе, обеспечивающем вращение отражательного элемента вокруг своей оси, что позволяет изменять ДН антенны [US Patent 6081234, МПК H01Q 19/06, 27.06.2000]. Отражательный элемент антенны представляет собой квадрат, две стороны которого соединены с разомкнутыми шлейфами, имеющими разную электрическую длину.
Недостатками данной антенны являются низкие скорости управления ДН, большая масса, возможность приема только сигналов с круговой поляризацией и узкий диапазон рабочих частот.
Наиболее близким к описываемому устройству является антенна отражательного типа [US Patent 6429823, МПК H01Q 19/10, 06.08.2002], включающая рупорный облучатель и рефлектор в виде антенной решетки различной формы (круглой, прямоугольной, гексагональной и т.д.) с отражательными элементами, которые выполнены в виде конического рупора и отрезка круглого волновода. Отражающая поверхность рефлектора, образованная множеством отражательных элементов может быть плоской, параболической или другой конфигурации в зависимости от требуемой ДН антенны. Каждый отражательный элемент принимает попадающую на него волну и после отражения переизлучает ее обратно в пространство с определенным фазовым сдвигом. Изменяя фазовый сдвиг отдельных отражательных элементов, можно управлять ДН антенны. Подстройка фазы осуществляется с помощью подвижного короткозамыкателя, перемещаемого внутри круглого волновода, например, отдельным микродвигателем.
Основными недостатками данного устройства являются сложность конструктивной реализации антенны, связанная с необходимостью жесткого и точного крепления отражательных элементов в поле рефлектора, большие массогабаритные характеристики и сложность управления ДН.
Раскрытие полезной модели
Предлагаемое решение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощение конструкции антенны и снижение ее массогабаритных параметров.
Сущность полезной модели состоит в том, что антенна отражательного типа содержит рупорный облучатель, рефлектор, выполненный в виде антенной решетки с отражательными элементами, каждый из которых представляет собой конический рупор с отрезком круглого волновода, закороченного на конце и устройства подстройки фазы отраженного сигнала, при этом рефлектор выполнен на плоской многослойной печатной плате с чередованием диэлектрических и проводящих слоев, а каждый проводящий слой, за исключением последнего, содержит свободные от металлизации участки круглой формы с диаметрами равными диаметрам соответствующих поперечных сечений конического рупора или круглого волновода с диэлектрическим заполнением. Соседние проводящие слои соединены между собой металлизированными отверстиями, расположенными по окружности у края участка свободного от металлизации. На расстоянии равном четверти длины волны от короткозамкнутого конца круглого волновода в проводящем слое сформированы два ортогональных перехода на полосковые линии передачи, выходы которых через металлизированные отверстия в плате соединены с электронными фазовращателями, расположенными на обратной стороне многослойной печатной плате.
Кроме того, технический результат достигается за счет того, что расстояние от начала рупора до короткозамкнутого конца круглого волновода с диэлектрическим заполнением меняется в зависимости от расположения отражательного элемента на плоскости антенной решетки.
Реализация рефлектора с множеством отражательных элементов в виде единой конструкции на основе плоской многослойной печатной плате позволяет существенно упростить конструкцию антенны отражательного типа и снизить ее массогабаритные параметры. Антенна реализуется с применением стандартных групповых методов изготовления многослойных печатных плат, что значительно уменьшает ее стоимость. Кроме того, повышается точность размещения отражательных элементов по сетке антенной решетки, что позволяет применять ее не только в СВЧ, но и КВЧ диапазоне.
Предлагаемая антенна содержит рефлектор 1 антенны отражательного типа, расположенный напротив рупорного облучателя 2 и выполненный на плоской многослойной печатной плате 3 (Фиг.1) с чередованием диэлектрических 4 и проводящих слоев 5 (Фиг.3). Каждый проводящий слой 4, за исключением последнего, содержит свободные от металлизации участки круглой формы 6 с диаметрами равными диаметрам соответствующих поперечных сечений конического рупора 7 или круглого волновода с диэлектрическим заполнением 8 (Фиг.2). Соседние проводящие слои соединены между собой металлизированными отверстиями 9, расположенными по окружности у края участка свободного от металлизации (Фиг.3). На расстоянии равном четверти длины волны от короткозамкнутого конца 10 круглого волновода с диэлектрическим заполнением 8 в проводящем слое сформированы два ортогональных перехода на полосковые линии передачи 11, выходы которых через металлизированные отверстия 12 в плате соединены с электронными фазовращателями (13), расположенными на обратной стороне многослойной печатной платы (Фиг.4). В качестве управляющих элементов электронных фазовращателей 13 могут применяться варикапы, устанавливаемые с обратной стороны многослойной печатной платы 3 (Фиг.4). В предлагаемой антенне, как и в антенне-прототипе, рефлектор 1 в зависимости от области применения может иметь различный профиль. Форма профиля задается изменением расстояния от начала конического рупора 7 до короткозамкнутого конца 10 круглого волновода с диэлектрическим заполнением 8 меняется в зависимости от расположения отражательного элемента на плоскости антенной решетки (Фиг.5).
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Общий вид антенны отражательного типа на многослойной печатной плате.
Фиг.2. Фрагменты проводящих слоев в сечении рупора и в сечении круглого волновода.
Фиг.3. Пример выполнения одного отражательного элемента на многослойной печатной схеме.
Фиг.4. Фрагмент обратной стороны многослойной печатной платы рефлектора с электронными фазовращателями.
Фиг.5. Фрагмент поперечной структуры рефлектора с отражательными элементами.
На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - рефлектор;
2 - рупорный облучатель;
3 - многослойная печатная плата;
4 - диэлектрический слой;
5 - проводящий слой;
6 - участки свободные от металлизации;
7 - конический рупор;
8 - круглый волновод с диэлектрическим заполнением;
9 - металлизированные отверстия между соседними проводящими слоями;
10 - короткозамкнутый конец круглого волновода;
11 - полосковые линии передачи;
12 - металлизированные отверстия для связи с электронными фазовращателями;
13 - электронные фазовращатели.
Осуществление полезной модели
Пример антенны отражательного типа для диапазона частот 29-31 ГГц.
Антенна выполнена на многослойной печатной плате (МПП), состоящей из 8 слоев фольгированного диэлектрика RO4003 фирмы Rogers. Толщина диэлектрического слоя 0,5 мм, толщина фольги 18 мкм. Антенна размещена на МПП размером 80×80×4,6 мм. Антенна содержит 37 отражательных элементов, выполненных в виде конического рупора и короткозамкнутого отрезка круглого волновода с диэлектрическим заполнением. Отражательные элементы реализованы в проводящих слоях МПП в виде свободных от металлизации участков круглой формы. Внешний диаметр конического рупора 10 мм, диаметр круглого волновода 5 мм. Отдельные проводящие слои соединяются между собой металлизированными отверстиями диаметром 0,3 мм, расположенными по окружности у края участка свободного от металлизации. Для управления фазой круглые волноводы содержат полосковые зондовые переходы, на выходах которых включаются электронные фазовращатели. В качестве фазовращателей применятюся варикапы МА46602 фирмы МА-СОМ.
Эксплуатация предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Предлагаемая антенна может работать как на прием, так и на передачу сигнала. В случае передающей антенны сигнал от рупорного облучателя 2 попадает на рефлектор 1. Каждый отражательный элемент, состоящий из конического рупора 7, отрезка круглого волновода 8 и электронного фазовращателя 13, принимает попадающую на него волну и после отражения переизлучает ее обратно в пространство с определенным фазовым сдвигом для формирования плоского фронта волны. Изменяя фазовый сдвиг отдельных отражательных элементов с помощью электронных фазовращателей 13, можно управлять ДН антенны. Связь круглого волновода 8 с электронными фазовращателями 13 осуществляется с помощью двух ортогональных переходов на полосковые линии передачи 11 и двух металлизированных отверстий 12. Ортогональные переходы реализованы в проводящем слое, расположенном на расстоянии четверти длины волны от короткозамкнутого конца 10 круглого волновода 8. Короткозамкнутый конец 10 реализуется последним проводящим слоем многослойной печатной платы 3. Наличие двух ортогональных переходов обусловлено необходимостью приема (передачи) сигналов с линейной и круговой поляризациями.