Сверхширокополосный планарный излучатель
ULTRA-WIDEBAND PLANAR EMITTER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области антенной техники, а именно к планарным, сверхширокополосным антеннам и предназначено для использования в качестве элемента активных фазированных антенных решёток (АФАР) с углом сканирования до 50° или в качестве облучателя зеркальных антенн.
Уровень техники
Известна широкополосная микрополосковая антенна с трапецеидальным поперечным сечением (патент RU 2479080, МПК H01Q1/38, опубл. 10.04.2011). Излучающий элемент антенны содержит прямоугольный излучатель, размещённый над экранирующей поверхностью с Н-образной щелью и возбуждаемый микрополосковой линией со шлейфом, который изогнут в направлении излучения микрополосковой антенны таким образом, что в поперечном сечении имеет трапецеидальную форму, симметричную относительно плоскости симметрии микрополосковой антенны, проходящей через оси симметрии прямоугольного металлического экрана с Н-образной щелью.
Недостатком технического решения является увеличенный продольный размер из-за наличия изогнутого в направлении излучения шлейфа.
Известна широкополосная микрополосковая антенна (патент RU 2576592, МПК H01Q1/38, опубл. 10.03.2016), которая состоит из диэлектрической подложки прямоугольной формы; излучающей панели располагающейся на верхней поверхности диэлектрической подложки;  соединительной панели на верхней поверхности диэлектрической подложки, отходящую от края диэлектрической подложки и заканчивающуюся на заданном расстоянии от излучающей панели; металлическую опору на нижней поверхности диэлектрической подложки, идущей от края нижней поверхности диэлектрической пластины вниз к заземлению; слой воздуха заданной толщины, образуемый между нижней поверхностью диэлектрической подложки и заземления.
Техническое решение обеспечивает ширину полосы согласования по уровню отраженной мощности – 10 дБ не более 30%, что является недостаточным для решения ряда современных задач в области радиовидения/зондирования и астрофизических исследований.
Известна также антенна верхнего питания, близкая по принципу работы (патент RU 2061985, МПК H01Q1/36, опубл. 10.06.1996).  Антенна верхнего питания содержит вертикальный проводник, трубчатое основание, изолятор между ними, согласующий блок, состоящий из нижнечастотного и верхнечастотного согласующих устройств, входную линию передачи и установленную на горизонтальном экране дополнительно, между этим экраном и трубчатым основанием введены изолятор и выключатель, нижнечастотное согласующие устройство согласующего блока вынесено из внутренней полости трубчатого основания, установлено на горизонтальном экране и связано с выходной линией передачи  антенны отрезком линии связи, при этом входная линия передачи образованна внутренней поверхностью трубчатого основания и дополнительным центральным проводником.
Основными недостатками антенны являются большие габариты, задаваемые длиной вертикального проводника, а также сложность или отсутствие возможности реализации в сантиметровом и миллиметровом диапазонах соответственно из-за наличия сосредоточенных согласующих элементов, резонансные частоты которых ограничивают их применение.
Известен сверхширокополосный облучатель с высоким коэффициентом эллиптичности (патент RU 163383, МПК H01Q 21/00 опубл. 25.01.2016), который содержит печатную дипольную антенну турникетного типа, выполненную на кварцевой подложке, содержащий скрещенные несимметричные диполя в форме лепестка, расположенный горизонтально над поверхностью рефлектора. Каждый несимметричный диполь снабжен реактивным шлейфом. Реактивный шлейф и несимметричный диполь соединены металлическим переходом, а на пересечении осей несимметричных диполей расположена металлическая втулка, к которой прикреплена полиимидная шайба.
Данная полезная модель является наиболее близким аналогом по конструктивным признакам и техническим характеристикам. Недостатками являются отсутствие возможности использования облучателя в качестве элемента сканирующей антенной решётки из-за относительно большого габарита, что не позволяет обеспечить необходимый шаг решётки, и наличие не одной, а двух точек включения, запитанных в противофазе для функционирования облучателя в режиме линейной поляризации.
Сущность изобретения
Техническая задача направлена на создание компактной сверхширокополосной антенны, пригодной для использования в качестве элементарной ячейки АФАР и облучателя зеркальных антенн.
Техническим результатом предложенного решения является увеличение ширины пропускания планарного излучателя до двукратного перекрытия рабочих частот.
Существуют различные способы расширения полосы пропускания антенн, в частности, полосы согласования путём уменьшения волнового сопротивления или снижения значения реактивной составляющей комплексного входного сопротивления, при этом с целью улучшения частотной стабильности направленных характеристик требуется постоянство резонансной частоты, обратно пропорциональной квадратному корню из произведения ёмкости и индуктивности СВЧ структуры.
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что сверхширокополосный планарный излучатель включает коаксиальную линию, экран коаксиальной линии, рефлектор, при этом согласно изобретению коаксиальная линия подключена к топологии двухслойной печатной платы заданной толщины, расположенной над рефлектором на расстоянии близком к четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, причём внутренняя жила коаксиальной линии соединена посредством микрополосковой линии с верхним слоем металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки, а внешний экран увеличенного радиуса коаксиальной линии соединен с нижним слоем металлизации печатной платы, повторяющим форму внутреннего контура верхнего слоя, верхний слой и нижний слой металлизации образуют зазор, регулирующийся толщиной печатной платы и расстоянием межу внутренними торцами верхнего и нижнего слоя металлизаций соответственно.
Замкнутая рамка верхнего слоя металлизации может быть выполнена округлой формы определенного радиуса и ширины или квадратной формы определенной длины и ширины.
Пространство между печатной платой и рефлектором может быть заполнено диэлектрическим материалом или слоем воздуха.
Использование коаксиальной линии с внешним экраном увеличенного радиуса позволяет расширить полосу согласования вследствие уменьшения волнового сопротивления излучателя.
Расположение двухслойной печатной платы над рефлектором обеспечивает формирование основного лепестка диаграммы направленности (ДН) в одном полупространстве, при этом величина их разноса определяет как частотную зависимость направленных характеристик, так и импедансных свойств по причине влияния проводящей поверхности на значение реактивной мощности вблизи излучателя.
Соединение внутренней жилы коаксиальной линии посредством микрополосковой линии с верхним слоем металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки, и соединение внешнего экрана с нижним слоем металлизации, повторяющей внутренний контур верхнего слоя металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки, образуют планарный излучатель со стабильными электрическими характеристиками в сверхширокой полосе частот по типу антенны верхнего питания. Осуществление возбуждения в одной точке верхнего слоя металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки, через микрополосковую линию применяется с целью формирования поля излучения линейной поляризации, в двух точках – с целью формирования поля излучения круговой поляризации.
Выбор размеров металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки, задаёт частотную область формирующейся ДН.
Наличие зазора между верхним слоем металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки, и нижним слоем металлизации, обеспечивает ёмкостной характер части реактивной мощности, запасённой вблизи излучателя, при этом пересечение зазора микрополосковой линией обеспечивает индуктивный характер части реактивной мощности, что в совокупности с коаксиальной линией образует СВЧ структуру, которую можно рассматривать как комбинацию электрического и магнитного диполей, суммарная энергия которых минимизирует значение реактивной мощности в ближней зоне, тем самым расширяя полосу согласования. Значение зазора грубо регулируется толщиной печатной платы и плавно – расстоянием межу внутренними торцами верхнего слоя металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки, и нижнего слоя металлизаций,
Планарное исполнение излучателя улучшает частотную стабильность положения фазового центра в отличие от протяжённых СВЧ структур типа излучателей вивальди или конических спиралей, что крайне важно для облучателей зеркальных антенн.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображено поперечное сечение излучателя, фиг. 2 отображает конструкцию излучателя линейной поляризации, где пространство до рефлектора заполнено диэлектриком, фиг. 3 отображает конструкцию излучателя круговой поляризации, где пространство до рефлектора воздушное, фиг. 4 содержит частотную зависимость амплитуды коэффициента отражения, фиг. 5 содержит ДН в Е-плоскости излучателя линейной поляризации, фиг. 6 содержит ДН в Н-плоскости излучателя линейной поляризации, фиг. 7 содержит ДН излучателя круговой поляризации.
Осуществление изобретения
Сверхширокополосный планарный излучатель содержит коаксиальную линию, внутренняя жила 1 которой соединена при помощи микрополосковой линии 2 с металлизацией, выполненной в виде замкнутой рамки 3, расположенной на верхнем слое печатной платы 4. Внешний экран коаксиальной линии 5 соединён с металлизацией 6, расположенной на нижнем слое печатной платы 4 и повторяющей форму внутреннего контура верхнего слоя металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки 3. Внешний экран 5 коаксиальной линии выполнен увеличенного радиуса, который задается в зависимости от требуемой полосы согласования. Щель 7 образована зазором между верхним слоем металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки 3, и нижним слоем металлизации 6 печатной платы 4. Зазор регулируется толщиной печатной платы 4 и расстоянием межу внутренними торцами верхнего слоя металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки 3, и нижнего слоя металлизации 6. Рефлектор 8, расположенный на расстоянии близком к четверти длины волны середины диапазона от печатной платы 4, образует пространство 9, заполненное диэлектрическим материалом или слоем воздуха.
Работа устройства
На вход коаксиальной линии подается СВЧ сигнал, который через микрополосковую линию 2 поступает на верхний слой металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки 3, при этом происходит возбуждение щели 7. В точке включения микрополосковой линии 2, сигнал делится в соотношении 1:1, при этом на начальном отрезке пути две волны тока имеют противоположные направления, поэтому две соответствующие кромки металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки 3, не излучают. При дальнейшем распространении две волны тока разделённого сигнала становятся сонаправленными, таким образом, определяя ориентацию линейной поляризации поля излучения.
В случае использования верхнего слоя металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки 3 округлой формы, поляризационная развязка поля излучения в секторе углов ширины ДН ухудшается по сравнению со случаем использования квадратной формы ввиду наличия непараллельных отрезков путей распространения волн тока, формирующих кросс компоненты поля излучения.
При возбуждении верхнего слоя металлизации, выполненной в виде замкнутой рамки3, в двух точках, расположенных по центру перпендикулярных сторон, сигналами, находящимися в квадратуре и равной амплитуды, формируется поле излучения круговой поляризации. Ширина полосы пропускания по критерию некоторого минимального значения коэффициента эллиптичности определяется способом и устройством, задающими соответствующие амплитудно-фазовые соотношения.