Широкополосная рупорно-микрополосковая антенна
BROADBAND RED-MICROPASS ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к широкополосным (ШП) рупорно-микрополосковым антеннам СВЧ-диапазона, и может быть использовано в метрологии, в системах связи, в радиодефектоскопии, в мониторинге, в решении задач электромагнитной совместимости.
Известна «Малогабаритная антенна» (см. А.с. СССР №1141482, МПК H01Q 13/10, опубл. 23.02.85 г., бюл. №7). Она содержит две металлические пластины, размещенные параллельно металлическому экрану, одна из них соединена с экраном с помощью шунта, а вторая - с фидером, и фидерное кольцо.
Антенна обеспечивает повышение стабильности формы диаграммы направленности (ДН) в рабочей полосе частот при уменьшении габаритов и сохранении коэффициента усиления.
В качестве основного недостатка аналога следует отметить их недостаточную широкополосность для работы с ШП сигналами современных систем связи (спутниковых систем связи, систем связи с мобильными абонентами), а также большие размеры.
Известна «Широкополосная трехдиапазонная рупорно-микрополосковая антенна» (см. пат. РФ №2345453, МПК H01Q 13/02, опубл. 27.01.2009 г., бюл. №3). Она содержит рупор, выполненный из металла в форме прямого цилиндра с квадратным сечением, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатор, образованный экраном-рефлектором и металлической пластиной, укрепленной соосно и симметрично на первом шунте в форме круглого прямого цилиндра в центре внутренней стороны экрана-рефлектора, при этом плоскость металлической пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору, и обеспечен надежный механический и электрический контакт, пластина резонатора выполнена в форме равнобедренного треугольника, а вершина равнобедренного треугольника пластины резонатора дополнена симметрично выступающими полосковыми элементами, местоположение и размеры которых определяются значениями заданных рабочих полос частот, вершина равнобедренного треугольника соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии, причем коаксиальная линия подведена к пластине резонатора через боковую стенку рупора перпендикулярно к ней, а внешний проводник линии закреплен на боковой стенке рупора, второй шунт закреплен на пластине резонатора по середине между первым шунтом и вершиной равнобедренного треугольника, а второй конец - на экране рефлектора.
Аналог обеспечивает эффективный прием и передачу широкополосных сигналов известных стандартов сотовых и транковых систем связи. Кроме того, обеспечивается резкое сокращение массогабаритных характеристик антенны.
В качестве недостатка антенны следует отметить следующее. При работе антенны в различных полосах частот фазовый центр антенны (см. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учебн. для радиотехнич. спец. ВУЗов. - М.: Высш. шк., 1988, стр. 197-198; Сверхширокополосные антенны. Пер. с английского С.В. Попова и В.А. Журавлева. – М.: Мир, 1964, стр. 377-381) смещается. Это влечет за собой ошибки в оценке пространственных параметров принимаемых сигналов при работе аналога в составе антенной решетки (см. пат. РФ №2305851, МПК G01S 5/04, опубл. 10.09.2007 г.).
Известно устройство «Ультраширокополосная компактная рупорно-микрополосковая антенна с высокой направленностью» (см. пат. РФ №2289873, МПК H01Q 13/02, опубл. 20.12.2006 г., бюл. №35).
Аналог содержит усеченный конический рупор, снабженный плоской стенкой на узкой стороне из металла, представляющей собой экран-рефлектор, резонатор, образованный экраном-рефлектором и круглой пластиной из металла, укрепленной соосно и симметрично на шунте в центре внутренней стороны экрана-рефлектора, а плоскость круглой пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору, и обеспечен надежный механический и электрический контакт круглой пластины с экраном-рефлектором, наконечник, выполненный из металла и имеющий форму усеченного конуса с диаметром основания и высотой, приблизительно равной половине расстояния между круглой пластиной и экраном-рефлектором. Вершина наконечника соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии, а ось симметрии наконечника перпендикулярна плоскости круглой пластины резонатора и проходит через ее край. Питающая коаксиальная линия подведена к экрану-рефлектору перпендикулярно к нему, а внешний проводник линии закреплен на нем с надежным электрическим контактом. Центральный проводник подсоединен к краю круглой пластины резонатора посредством наконечника с надежным электрическим контактом.
Аналог обеспечивает прием и передачу сигналов в сравнительно широкой полосе частот. Кроме того, достигается уменьшение габаритов антенны и снижение уровня боковых лепестков ДН. Однако из-за сохранения значительных габаритов затруднено использование ее в качестве элемента антенной решетки.
Наиболее близкой по своей технической сущности к заявляемому устройству является «Широполосная рупорно-микрополосковая антенна» (см. пат. РФ №2382450, МПК H01Q 13/02, опубл. 20.02.2010 г., бюл. №5).
Устройство-прототип содержит рупор, выполненный из металла и имеющий форму прямого цилиндра с прямоугольным сечением, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатор, образованный экраном-рефлектором и металлической пластиной, содержащей компланарный волновод и П-образную нагрузку, оси симметрии которых совпадают и перпендикулярны двум противолежащим больших размеров боковым стенкам рупора и проходят через ось симметрии, верхняя часть П-образной нагрузки компланарного волновода пластины резонатора дополнена симметрично выступающими полосковыми элементами, местоположение и размеры которых определяются значением рабочей полосы частот, а компланарный волновод выполнен из прямого токопроводящего проводника, местоположение которого совпадает с осью симметрии компланарного волновода, с одной стороны токонесущий проводник электрически соединен с краем П-образной нагрузки в точке, находящейся вблизи центра диэлектрической подложки пластины резонатора, два внешних проводника компланарного волновода, прилегающих с обеих сторон к токонесущему проводнику, имеют симметричную ступенчатую форму, которая определяется значением заданного диапазона рабочей полосы частот, а нижние концы внешних проводников компланарного волновода электрически соединены с боковой стенкой рупора, второй конец токонесущего проводника компланарного волновода металлической пластины резонатора электрически соединен с центральным проводником коаксиальной линии, причем коаксиальная линия подведена к металлической пластине резонатора через боковую стенку рупора перпендикулярно к ней, а внешний проводник коаксиальной линии электрически подключен к боковой стенке рупора.
Антенна-прототип обеспечивает получение оптимального распределения электромагнитного распределения электромагнитного поля по апертуре антенны в заданной полосе частот 1,5-2,85 ГГц, с КСВ не хуже 3, значительное уменьшение габаритных размеров.
Известно, что широкополосные рупорно-микрополосковые антенны (ШРМА) находят широкое применение в составе фазированных антенных решеток для измерения пространственных параметров радиосигналов. Одним из важнейших требований к таким ШРМА является инвариантность (независимость) местоположения их фазового центра (ФЦ) от используемого частотного диапазона. В прототипе за счет специальной конфигурации излучателя и его положения относительно стенок рупора позволило достигнуть некоторой стабильности местоположения фазового центра ШРМА. В каждом участке диапазона частот растекание токов возбуждения по излучателю осуществляется по особым специально сформированным направлениям, чем и достигается положительный эффект. Наибольшее смещение ФЦ по одной из координат составило 4 мм, что менее 0,04 минимальной длины волны рабочего диапазона.
max
Несимметричное возбуждение коробчатого рупора излучателя, размещенного на «пьедестале», позволило в значительной мере уменьшить изменение местоположения ФЦ антенны в рабочем диапазоне частот. И, тем не менее, оно остается значительным ((ΔY/λ)360°=(4 мм/100 мм)360°=14°), что требует специальных мер при обработке результатов оценивания пространственных параметров сигналов.
Целью заявляемого технического решения является разработка широкополосной рупорно-микрополосковой антенны, обеспечивающей уменьшение смещения фазового центра в рабочей полосе частот.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из рупора, имеющего форму металлического прямого цилиндра с прямоугольным сечением, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатора, образованного экраном-рефлектором и металлической пластиной, расположенной на первой диэлектрической пластине и укрепленной соосно и симметрично внутри рупора, при этом плоскость металлической пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору, и коаксиальной линии, дополнительно в качестве металлической пластины резонатора используют симметричный вибратор, причем его продольная ось симметрии совпадает с осью симметрии первой диэлектрической пластины и перпендикулярна двум противолежащим больших размеров боковым стенкам рупора, центр симметричного вибратора резонатора совпадает с центром первой диэлектрической пластины, а каждое плечо симметричного вибратора выполнено в виде плоского равнобедренного треугольника с прямым углом при вершине, примыкающие друг к другу вершины равнобедренных треугольников совпадают с центром симметричного вибратора, а к основаниям прямоугольных равнобедренных треугольников усеченной стороной подключены полукруглые пластины, размеры которых взаимно совпадают, по линии подключения пластин от кромок выполнены по две прорези равной длины, клиновидное микрополосковое симметрирующее устройство, содержащее Г-образный полосковый элемент, размещенный на второй диэлектрической пластине, на другой стороне которой под Г-образным полосковым элементом размещена Г-образная клиновидная подложка, причем плоскость второй диэлектрической пластины клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства размещена перпендикулярно плоскости первой диэлектрической пластины резонатора, экрану-рефлектору, двум противолежащим малого размера боковым стенкам рупора и совпадает с линией симметрии симметричного вибратора, основание клиновидной подложки клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства электрически соединено с боковой стенкой малого размера рупора, а противоположную заостренную сторону в центре резонатора электрически соединяют с первым плечом симметричного вибратора, второе плечо которого электрически соединено с заостренной стороной Г-образного полоскового элемента клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства, второй конец которого электрически соединен с внутренним проводником коаксиальной линии, внешний проводник которого электрически соединен с малой стенкой рупора.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что используют резонатор специальной формы, позволяет достичь цели изобретения: разработать широкополосную рупорно-микрополосковую антенну, обеспечивающую уменьшение смещения ее фазового центра в рабочей полосе частот.
Технический результат достигается за счет создания антенны, объединяющей положительные качества двух различных типов антенн: рупора и симметричного вибратора, использующего клиновидное микрополосковое симметрирующее устройство. Комбинация рупора коробчатого типа в виде прямого цилиндра с прямоугольным сечением (см. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. - М.: Энергия, 1966, стр. 509-512; Справочник по антенной технике: Справ. В 5 т. Т. 1./П.Д. Бахрах, Л.С. Бенинсон, Е.Г. Зелкин и др. Под ред. Я.Н. Фельда, Е.Г. Зелкина. - М.: ИПРЖР, 1997 г. - 256 с.) и излучателя в виде симметричного вибратора, плечи которого имеют специальную форму, позволяет получить оптимальное распределение электромагнитного поля по апертуре антенны в заданной полосе частот 800-3000 МГц без смещения фазового центра антенны. Предлагаемая конструкция антенны позволяет при сохранении коэффициента усиления и габаритных характеристик изделия дополнительно расширить диапазон рабочих частот на 63%. При этом максимум диаграммы направленности во всем диапазоне рабочих частот не имеет смещения.
Заявляемая антенна поясняется чертежами, на которых:
на фиг. 1 - общий вид заявленной антенны;
на фиг. 2 - симметричный вибратор в масштабе 2:1;
на фиг. 3 - вид антенны в разрезе;
на фиг. 4 - рисунок, поясняющий работу антенны;
на фиг. 5 - диаграмма направленности антенны в вертикальной (слева) и горизонтальной (справа) плоскостях для различных частот;
на фиг. 6 - результаты экспериментальных измерений входного сопротивления антенны;
на фиг. 7 - график зависимости КСВ от частот.
Широкополосная рупорно-микрополосковая антенна (см. фиг. 1, 2 и 3) содержит рупор 1, имеющий форму прямого цилиндра с прямоугольным сечением, выполненный из металла, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатор 8, образованный экраном-рефлектором и металлической пластиной 3, расположенной на первой диэлектрической пластине 2 и укрепленной соосно и симметрично внутри рупора 1, при этом плоскость металлической пластины 3 резонатора 8 параллельна экрану-рефлектору, и коаксиальную линию 4.
Металлическая пластина резонатора 3 (см. фиг. 2) представляет собой симметричный вибратор, причем продольная ось симметрии симметричного вибратора 3 резонатора 8 совпадает с осью симметрии первой диэлектрической пластины 2 и перпендикулярна двум противолежащим больших размеров боковым стенкам рупора 1. Центр симметричного вибратора 3 резонатора 8 совпадает с центром первой диэлектрической пластины 2. Каждое плечо симметричного вибратора 3 резонатора 8 состоит из пластины в форме прямоугольного равнобедренного треугольника, вершина с прямым углом которого совпадает с центром симметричного вибратора 3 резонатора 8. К основанию прямоугольного равнобедренного треугольника подключена полукруглая пластина, усеченная (прямая) сторона которой совмещена с основанием прямоугольного равнобедренного треугольника. Размеры последних взаимно совпадают. По линии совмещения основания прямоугольного равнобедренного треугольника и полукруга выполняют две прорези 10 равной длины, каждая из которых берет начало от их кромок.
Клиновидное микрополосковое симметрирующее устройство 9 содержит Г-образный полосковый элемент 6, размещенный на второй диэлектрической пластине 5, и Г-образную клиновидную подложку 7, расположенную под Г-образным полосковым элементом 6 на другой стороне второй диэлектрической пластины 5.
Вторую диэлектрическую пластину 5 клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства 9 размещают перпендикулярно первой диэлектрической пластине 2 резонатора 8, экрану-рефлектору, двум противолежащим малого размера боковым стенкам рупора 1 и совмещают с линией симметрии симметричного вибратора. Основание Г-образной клиновидной подложки 7 клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства 9 электрически соединяют с боковой малого размера стенкой рупора 1. Противоположную заостренную сторону клиновидной подложки 7 электрически соединяют с первым плечом симметричного вибратора. Второе плечо симметричного вибратора электрически соединяют с заостренной стороной Г-образного полоскового элемента 6. Второй конец Г-образного полоскового элемента 6 электрически соединяют с внутренним проводником коаксиальной линии 4. Внешний проводник коаксиальной линии 4 электрически соединяют со стенкой рупора 1.
На фиг. 2 и 3 приведены оптимальные размеры предлагаемой антенны. Форма ее излучателя 3 и габаритные размеры рупора 1 были получены в результате моделирования в «FEKO». Далее они были уточнены при реализации макета. Предлагаемая конструкция антенны обеспечивает удовлетворительное согласование и однонаправленное излучение в диапазоне 0,8-3 ГГц при КВС≤3. Площадь раскрыва антенны составляет 165×75 мм. Площадь заземленного экрана-рефлектора рупора 1 также составляет 165×75 мм. Размеры коробчатого рупора 1 165×75×75 мм.
01
03
02
01
03
Известно, что у волновода прямоугольного сечения, возбуждаемого волной H скачком или через небольшой секториальный переход, меняется сечение на значительно более широкое, такое, чтобы в нем могла распространятся волна Н (при соблюдении симметрии системы волна Н не возбуждается). Подбором размеров коробчатого излучателя достигается регулирование соотношения амплитуд и фаз полей H и Н. Фазы полей в рупоре 1 заявляемого устройства подобраны таким образом, чтобы они были противоположны в средней части излучателя и одинаковы на краях. При этом достигается более равномерное поле в раскрыве коробчатого рупора 1.
Первая диэлектрическая пластина 2 выполнена в форме квадрата с размерами сторон 75 мм. Размещена соосно и параллельно экрану-рефлектору, симметрично и соосно площади раскрыва антенны на глубине 20 мм. На ее поверхности размещена металлическая пластина резонатора 3, представляющая собой симметричный вибратор. Продольная ось симметрии плеч симметричного вибратора 3 совпадает с осью симметрии первой диэлектрической пластины 2 и перпендикулярна двум противолежащим больших размеров боковым стенкам рупора 1. Центр симметричного вибратора совпадает с центров первой диэлектрической пластины 2. Каждое плечо симметричного вибратора 3 состоит из металлической пластины в форме прямоугольного равнобедренного треугольника с боковыми стенками длиной 25 мм. Длина основания прямоугольного равнобедренного треугольника составляет 40 мм. Вершина пластины с прямым углом совпадает с центром симметричного вибратора 3. Основание равнобедренного треугольника дополнено полукруглой пластиной с радиусом R=20 мм, усеченная (прямая) сторона которой совмещена с основанием прямоугольного равнобедренного треугольника. Размеры последних взаимно совпадают. По линии совмещения основания прямоугольного равнобедренного треугольника и полукруглой пластины выполнены две прорези 10 равной длины =8 мм, каждая из которых берет начало в вершинах углов основания прямоугольного равнобедренного треугольника. Ширина прорези =0.5 мм.
Суммарная длина обеих плеч симметричного вибратора 3  составляет 75 мм. Внешний вид металлической пластины резонатора 3 в масштабе 2:1 приведен на фиг. 2.
Вторая диэлектрическая пластина 5 выполнена в форме прямоугольника со сторонами 53×95 мм. Плоскость второй диэлектрической пластины 5 размещают перпендикулярно плоскости первой диэлектрической пластины 2 резонатора 8, экрану-резонатору, двум противолежащим малого размера боковым стенкам резонатора 1 и одновременно она совпадает с линией симметрии симметричного вибратора 3.
На второй диэлектрической пластине 5 (см. фиг. 3) размещают клиновидное симметрирующее устройство Г-образной формы 9. С одной стороны находится Г-образный полосковый элемент 6, берущий начало в середине узкой (53 мм) стороны второй диэлектрической пластины 5. Этот конец полосковой линии 6 через отверстие в боковой стенке рупора 1 электрически подключен к центральной жиле коаксиальной линии 4. Второй конец (заточенный) под прямым углом проходит через отверстие в первой диэлектрической пластине 2 и электрически подключается к одному из плеч симметричного вибратора 3.
На другой стороне второй диэлектрической пластины 5 под полосковым элементом 6 размещают Г-образную клиновидную подложку 7. Основание Г-образного клина 7 шириной 15 мм электрически соединено с боковой малых размеров стенкой рупора 1. Верхняя (узкая) часть клиновидной подложки 7 через отверстие в первой диэлектрической пластине 2 соединено со вторым плечом симметричного вибратора 3 резонатора 8. При этом боковая стенка рупора 1 электрически соединена с внешним проводником коаксиальной линии 4.
Широкополосная рупорно-микрополосковая антенна работает следующим образом. Заявляемая антенна (см. фиг. 1, 2 и 3) состоит из двух основных частей: рупора 1 и резонатора 8, представляющего собой микрополосковую антенну специальной формы и запитанную особым способом - через боковую стенку рупора с использованием клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства 9. Симметрирующее устройство 9 выполнено в виде полоски над клиновидной подложкой (см. Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 1.: Пер. с нем. - М.: ЛАИТ Лтд. 2000. - 416 с, стр. 140), на которой, при необходимости, может быть размещен малошумящий антенный усилитель. В задачу клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства 9 входит обеспечение перехода от несимметричной питающей коаксиальной линии 4 к симметричному излучателю 3 и улучшение степени настройки (согласования) антенны (симметричного вибратора) с фидером в заданной полосе частот. Широкополосность антенны достигается благодаря применению «каплевидной» (экспоненциальной) формы плеч симметричного вибратора 3 (см. Мейнке X. и Гундлах Ф.В. Радиотехнический справочник. Том 1: Пер. с нем. – М.: Государственное энергетическое издательство, 1960, стр. 305, 314). Настройку согласования в области нижних частот осуществляют на этапе машинного моделирования путем подбора формы, ориентации и размеров щелей 10, прорезанных на плоскости плеч симметричного вибратора 3. Использование прорезей 10 позволило улучшить согласование в области нижних частот, что стало возможно благодаря удлинению пути токов проводимости I (Kin-Lu Wong. Compact and Broadband Microstrip Antennas, by John Wiley & Sons, Ins, Inc., New York 2002. - 330 p.), растекающихся по металлической поверхности вибратора 3 (см. фиг. 4).
С помощью программы CST MICROWAVE STUDIO выполнены расчеты входного сопротивления и согласования антенны в диапазоне частот 0,8-3 ГГц, позволившие достичь идентичность с характеристиками прототипа. Экспериментальная проверка входного сопротивления и согласования антенны (см. фиг. 5 и фиг. 6) подтвердила результаты расчета. Теоретически симметричный вибратор 3 относится к классу антенн с частотно-независимым положением фазового центра и только взаимодействие с рупором могло привести к нарушению этого положения (Справочник по антенной технике: Справ. В 5 т., Т. 1 / Л.Д. Бахрах, Л.С. Бенинсон, Е.Г. Зелкин и др.; Под ред. Я.Н. Фельда, Е.Г. Зелкина. - М.: ИПРЖР, 1997, стр. 33). Расчеты местоположения фазового центра показали его несмещаемость из точки, расположенной в середине симметричного вибратора 3 во всем диапазоне частот. Экспериментально это подтверждается симметричностью диаграмм направленности во всем диапазоне частот в обеих плоскостях (см. фиг. 5). Последнее невозможно достичь при смещении фазового центра антенны. Это качество является основным отличием от прототипа и дает преимущество для использования в фазовом радиопеленгаторе.
-4
-3
Все детали антенны согласно настоящему изобретению имеют простую форму и сделаны из однородного и однотипного материала. Это позволяет реализовать изготовление их в массовом производстве, используя прессовку и традиционные методы изготовления печатных плат. В качестве диэлектрической подложки 2 и 5 могут быть использованы диэлектрики с параметрами ε≈2,5 и tgδ=10-10. Толщина пластин 2 и 5 может составлять (0.002-0.001)λ.