Антенная решётка

Полезная модель относится к антенной технике и предназначена для использования в качестве широкополосной приемно-передающей антенны мобильных и стационарных устройств систем связи.
Известна антенная решётка на основе резонатора Фабри-Перо, содержащая один сплошной металлический экран и два печатных частично металлизированных слоя, расположенных последовательно и разделённых воздушным зазором, при этом в центре сплошного металлического экрана со стороны воздушного зазора размещён излучающий элемент, подключённый к линии питания, проведённой с обратной стороны металлического экрана, а размеры металлизированных элементов в пределах каждого печатного слоя одинаковы (Литинская Е.А., Поленга С.В., Саломатов Ю.П. Антенная решетка на основе резонаторов Фабри–Перо с механоэлектрическим сканированием. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2021;24(5):36-49.).
Недостатком такой антенны является узкая полоса рабочих частот, низкая механическая прочность.
Из уровня техники известна широкополосная антенная решётка, содержащая один сплошной металлический экран и один печатный частично металлизированный слой, расположенных последовательно и разделённых воздушным зазором, при этом в центре сплошного металлического экрана со стороны воздушного зазора размещён излучающий элемент, подключённый к линии питания, проведённой с обратной стороны металлического экрана (Патент CN 113471676 B).
Недостатком такого решения является низкая механическая прочность.
Известная антенная решётка (Патент CN 108767493 A). Она содержит один сплошной металлический экран и один печатный частично металлизированный слой, расположенных последовательно и разделённых воздушным зазором, а также ещё один печатный частично металлизированный слой, расположенный непосредственно над излучающим элементом  в центре сплошного металлического экрана, причём излучающий элемент подключён к линии питания, проведённой с обратной стороны металлического экрана.
Недостатками такого решения является узкая полоса рабочих частот, низкая механическая прочность.
Наиболее близкой по совокупности существующих признаков к предлагаемому устройству является антенная решётка (Патент US 2013/024.1785 A1). Устройство содержит один сплошной и один перфорированный металлические экраны, расположенных последовательно и разделённых воздушным зазором, при этом в центре сплошного металлического экрана со стороны воздушного питания размещён излучающий элемент, подключённый к линии питания, проведённой с обратной стороны металлического экрана, размер и форма одинаковых отверстий и излучающего элемента, характер расположения отверстий и величина воздушного зазора выбираются исходя из требуемой полосы рабочих частот и максимизации коэффициента усиления.
Преимуществом прототипа является высокая механическая прочность.
Недостатком прототипа является узкая полоса рабочих частот, обусловленная малой электрической толщиной воздушного зазора и общей электрической толщиной образуемого металлическим экраном и перфорированным металлическим экраном резонатора Фабри-Перо.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание антенной решётки на основе резонатора Фабри-Перо с расширенной полосы рабочих частот при сохранении уровня коэффициента усиления в полосе рабочих частот.
Поставленная задача решается за счёт того, что заявленное устройство, так же как и известное, содержит один сплошной и один перфорированный металлические экраны, расположенных последовательно и разделённых воздушным зазором, при этом в центре сплошного металлического экрана со стороны воздушного зазора размещён излучающий элемент, подключённый к линии питания, проведённой с обратной стороны металлического экрана, размер и форма одинаковых отверстий и излучающего элемента, характер расположения отверстий и величина воздушного зазора выбираются исходя из требуемой полосы рабочих частот и максимизации коэффициента усиления. Но, в отличие от известного, в предлагаемой антенной решётке введён дополнительный перфорированный металлической экран, располагаемый последовательно над меющимся на расстоянии (0.43–0.44) средней длины волны рабочего диапазона и отделённый от него воздушным зазором, отверстия в двух экранах расположены соосно и имеют разные размеры в разных экранах, причём диаметры отверстий во введённом перфорированном экране выбираются в (1.3–1.4) раза больше диаметра отверстий в имеющемся перфорированном экране исходя из требуемой полосы рабочих частот и максимизации коэффициента усиления.
Достигаемым техническим результатом является расширение полосы рабочих частот антенны при сохранении уровня коэффициента усиления в полосе рабочих частот.
Технический результат достигается за счёт введения в конструкцию антенной решётки дополнительного перфорированного металлического экрана, располагаемого последовательно над имеющимся на расстоянии (0.43–0.44) средней длины волны рабочего диапазона и отделённый от него воздушным зазором. Отверстия в двух экранах расположены соосно и имеют разные размеры в разных экранах, причём диаметры отверстий во введённом перфорированном экране выбираются в (1.3–1.4) раза больше диаметра отверстий в имеющемся перфорированном экране исходя из требуемой полосы рабочих частот и максимизации коэффициента усиления.
Полезная модель иллюстрируется чертежами.
Фиг. 1 – вид предлагаемой широкополосной антенны;
фиг. 2 – частотные зависимости коэффициента усиления антенны-прототипа (с одним перфорированным металлическим экраном), предлагаемой антенной решётки (с двумя перфорированными металлическими экранами);
фиг. 3 – диаграммы направленности предлагаемой антенной решётки в Е- и Н-плоскостях на частоте 4.8 ГГц;
фиг. 4 – диаграммы направленности предлагаемой антенной решётки в Е- и Н-плоскостях на частоте 4.9 ГГц;
фиг. 5 – диаграммы направленности предлагаемой антенной решётки в Е- и Н-плоскостях на частоте 4.99 ГГц;
фиг. 6 – частотные зависимости коэффициента усиления предлагаемой антенной решётки (с двумя перфорированными металлическими экранами) и предлагаемой антенной решётки (с двумя перфорированными металлическими экранами) с значениями отношения диаметров отверстий и расстоянием между перфорированным экраном лежащими вне обозначенного диапазона.
На чертежах введены следующие обозначения:
1 – точка питания;
2 – сплошной металлический экран;
3 – излучающий элемент;
4 – перфорированные экраны;
5 – частотная зависимость коэффициента усиления антенны-прототипа;
6 – частотная зависимость коэффициента усиления предлагаемой антенной решётки;
7 – частотная зависимость коэффициента усиления предлагаемой антенной решётки, расстояние между перфорированными экранами 0.437 средней длины волны, отношение диаметров отверстий 1.37;
8 – частотная зависимость коэффициента усиления предлагаемой антенной решётки, расстояние между перфорированными экранами 0.437 средней длины волны, отношение диаметров отверстий 1.5;
9 – частотная зависимость коэффициента усиления предлагаемой антенной решётки, расстояние между перфорированными экранами 0.437 средней длины волны, отношение диаметров отверстий 1.2;
10 – частотная зависимость коэффициента усиления предлагаемой антенной решётки, расстояние между перфорированными экранами 0.45 средней длины волны, отношение диаметров отверстий 1.37;
11 – частотная зависимость коэффициента усиления предлагаемой антенной решётки, расстояние между перфорированными экранами 0.41 средней длины волны, отношение диаметров отверстий 1.37.
Антенна работает следующим образом.
Линия питания подводится к точке 1 (фиг. 1) с обратной стороны сплошного металлического экрана 2 и подключается к излучающему элементу 3, который возбуждает электромагнитное поле в областях между сплошным металлическим экраном 2 и перфорированными металлическими экранами 4, разнесёнными на расстояние равное порядка половине рабочей длины волны с помощью элементов крепления, межслойное пространство заполнено воздухом. Сплошной металлический экран и перфорированный металлический экран образуют резонатор Фабри-Перо в радиочастотном диапазоне, элементы перфорированного металлического слоя формируют поле излучения. Введение в конструкцию антенны дополнительного перфорированного экрана, располагаемого последовательно над имеющимся и отделённого от него воздушным зазором так, чтобы отверстия в обоих экранах располагались соосно, приводит к тому, что в роли полупрозрачной стенки резонатора Фабри-Перо используется многослойная структура, что, в свою очередь, за счёт регулировки взаимных размеров отверстий в обоих перфорированных металлических экранах, позволяет обеспечить условие, близкое к резонансному, в большей полосе частот.
Работа устройства подтверждается результатами электродинамического моделирования примера предлагаемой антенной решётки в диапазоне 4.8-4.99 ГГц, состоящей из 5×5 щелевых излучателей круглой формы, расположение (шаг сетки 38 мм) и форма которых были определены методом конечных элементов с применением ANSYS Electronics Desktop исходя из условия обеспечения синфазности поля на полупрозрачной стенке резонатора Фабри-Перо (перфорированный металлический экран), отношение диаметров отверстий составляет 1.37, причём диаметры отверстий имеют неодинаковый характер как в пределах каждого перфорированного металлического экрана (крайние отверстия каждого слоя имеют диаметр на 2 мм меньше, чем центральные), так и в разных слоях, расстояние между перфорированными металлическими экранами составляет 0.437 средней длины волны рабочего диапазона. В связи с тем, что для рассматриваемых размеров антенной решётки в 3.3×3.3 средней длины волны рабочего диапазона при электрическом расстоянии между листами в половину длины волны фазовая ошибка на краях резонатора достигает 80 градусов, а амплитудное распределение носит спадающий к краям раскрыва характер до уровня минус 20 дБ, была проведена оптимизация диаметров круглых отверстий, вследствие чего они имеют неодинаковый характер как в пределах каждого перфорированного металлического экрана, так и в разных слоях. В качестве излучающего элемента в рассматриваемом примере использовалась печатная антенна со стороной квадрата в 24 мм на подложке из ПВХ с двумя точками питания, что позволяет возбуждать в антенной решётке поля как линейной, так и круговой поляризации.
Из приведённых частотных зависимостей коэффициента усиления (фиг. 2) примера предлагаемой антенной решётки с двумя перфорированными металлическими экранами и антенной решётки с одним перфорированным металлическим экраном, рассчитанной для того же частотного диапазона видно, что удалось расширить относительную полосу рабочих частот по уровню -3дБ от максимального значения коэффициента усиления в предлагаемой полезной модели в 1.4 раза, при этом коэффициент усиления в пределах полосы рабочих частот не меньше, чем у прототипа (фиг. 3-5). Предлагаемая антенная решётка может быть реализована как для случая линейной поляризации, так и для круговой или билинейной.
Случаи выбора значений отношения диаметров отверстий в перфорированных металлических экранах и расстояния между перфорированными металлическими экранами в средней длины волны рабочего диапазона, отличных от (1.3–1.4) и (0.43–0.44) соответственно, рассмотрены на фиг. 6. Если для предлагаемой антенной решётки с отношением диаметров отверстий 1.37 и расстоянием между перфорированными экранами 0.437 средней длины волны рабочего относительная полоса рабочих частот по уровню -3 дБ от максимального коэффициента усиления в 18.4 дБ составила 9%, то в случае
расстояния между перфорированными экранами 0.437 средней длины волны и отношения диаметров отверстий 1.5 полоса рабочих частот по уровню -3 дБ от максимального коэффициента усиления в 18.5 дБ составила 6%;
расстояния между перфорированными экранами 0.437 средней длины волны и отношения диаметров отверстий 1.2 полоса рабочих частот по уровню -3 дБ от максимального коэффициента усиления в 17.3 дБ составила 5.3%;
расстояния между перфорированными экранами 0.41 средней длины волны и отношения диаметров отверстий 1.37 полоса рабочих частот по уровню -3 дБ от максимального коэффициента усиления в 17.4 дБ составила 6%;
расстояния между перфорированными экранами 0.45 средней длины волны и отношения диаметров отверстий 1.37 полоса рабочих частот по уровню -3 дБ от максимального коэффициента усиления в 17.1 дБ составила 8%.
Из представленных данных видно, что при выборе значений параметров, отличных от требуемых, оказывается недостижимым расширение полосы рабочих частот антенны при сохранении уровня коэффициента усиления в полосе рабочих частот.
Таким образом, показана достижимость технического результата – расширение полосы рабочих частот антенны при сохранении уровня коэффициента усиления в полосе рабочих частот.