МНОГОМОДОВАЯ ПЕЧАТНАЯ АНТЕННА
MULTIMODE PRINTED ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны приемного устройства спутниковой навигации.
Печатные антенны, в том числе одиночные излучатели и решетки, нашли широкое применение в различных радиоэлектронных системах. К числу их достоинств относятся малые габариты, высокая технологичность и низкая стоимость, надежность и т.д. Известны простейшие печатные антенны, имеющие один диэлектрический слой, на поверхности которого нанесены металлические проводники [1]. Один из них полностью покрывает поверхность диэлектрического слоя, а другой может иметь более сложную форму. Первый проводник называют экраном, а второй полосковым проводником. Как правило, диэлектрический и металлические слои имеют прямоугольную форму или форму круга. Связь такой антенны с внешними устройствами обеспечивается с помощью элемента возбуждения. Часто в качестве элемента возбуждения используют коаксиальный кабель, центральный проводник которого имеет контакт с полосковым проводником, а внешний проводник с экраном. Возможны также и другие элементы возбуждения, например технологичный элемент возбуждения полосковой линией через щель.
Известны также печатные антенны с круговой поляризацией. Они могут иметь форму круга [2] или квадрата [3] или близкую к ним. Точный выбор формы зависит от числа элементов возбуждения, которые используются для связи с внешней схемой. Если антенна имеет один элемент связи, то форма антенны, то есть форма полоскового проводника, близка к квадрату или кругу, но не совпадает с ними полностью. При использовании двух элементов связи антенна имеет строго круглую или квадратную форму. В общем случае ее форма должна иметь симметрию поворота на 90 градусов.
В системах пеленгации, а в последнее время и в системах с помехоподавлением находят применение антенны, имеющие несколько входов. При этом каждому входу или комбинации входов соответствует своя диаграмма направленности (ДН) излучения антенны. Наибольшее распространение получили суммарные и разностные ДН, при помощи которых решаются такие задачи, как определение направления принимаемого сигнала (пеленгация) и формирование нуля ДН в заданном направлении (помехоподавление).
Широкий класс антенн, например печатные и вибраторные антенны, относятся к резонансным антеннам, в которых излучение формируется путем возбуждения собственных колебаний - мод объемного резонатора. Каждому колебанию соответствует своя ДН. Поэтому резонансные многовходовые антенны получили название многомодовых антенн.
Известна печатная многомодовая антенна, в которой используются три собственных колебания [4]. Два колебания принято называть основными. Они формируют две суммарные ДН, имеющие максимум излучения вдоль оси печатной антенны. При этом указанные ДН отличаются поляризацией излучения. Третье колебание получило название конденсаторного. Ему соответствует разностная ДН с нулем излучения вдоль указанной оси. Конденсаторное колебание является аналогом колебания параллельного контура. Роль емкости играют проводники печатной антенны, а роль индуктивности металлические штыри, которые часто выполняют функцию элементов возбуждения антенны.
Недостатком данной многомодовой антенны является малая емкость конденсатора, которая пропорциональна площади проводников S и обратно пропорциональна расстоянию между ними h, которое равно толщине диэлектрической пластины, на поверхностях которой расположены металлические проводники. Увеличить площадь S невозможно из-за того, что размеры проводников печатной антенны определяют резонансную частоту рабочих колебаний и не могут быть изменены при фиксированной рабочей частоте антенны f. Уменьшение расстояния h также нежелательно, поскольку оно влияет на добротность всех колебаний системы. При уменьшении этого параметра добротность растет и, следовательно, уменьшается полоса рабочих частот антенны.
В результате настройка конденсаторного колебания на рабочую частоту оказывается невозможной без использования дополнительных средств, к которым, в первую очередь, относятся сосредоточенные элементы, которые включаются между металлическими штырями и проводниками печатной антенны. При этом после настройки конденсаторное колебание отличается неустойчивостью, так как его резонансная частота сильно зависит от внешних воздействий.
Наиболее близким к заявляемой многомодовой печатной антенне является антенна [5]. Она содержит диэлектрическую пластину, металлический экран и полосковый проводник, которые расположены соответственно на нижней и верхней поверхностях диэлектрической пластины и не менее двух элементов возбуждения. Перпендикулярно полосковому проводнику расположен металлический штырь, который соединен с элементом возбуждения, расположенным в центре диэлектрической пластины. Другие элементы возбуждения смещены относительно центра диэлектрической пластины.
Центральный элемент возбуждения соответствует разностной ДП, которая имеет нуль излучения вдоль оси перпендикулярной плоскости диэлектрической пластины. Она формируется за счет возбуждения колебания, являющегося аналогом конденсаторного колебания. Смещенные элементы возбуждения соответствуют суммарным ДН с разными плоскостями линейной поляризации.
Настройка антенны по центральному входу в данном техническом решении не вызывает трудности, так как резонансная частота конденсаторного колебания теперь определяется длиной металлического штыря, который играет роль четвертьволнового вибратора.
Недостатком данной антенны являются ее большие размеры, которые связаны с необходимостью выбора длины штыря, близкой к четверти длины волны в свободном пространстве. Вследствие этого печатная антенна лишается одного из основных своих достоинств: комфортности, то есть отсутствия выступающих элементов, нарушающих планарность конструкции.
Предлагаемое техническое решение нацелено на получение технического результата, выражающегося в уменьшении габаритных размеров антенны. Кроме того, получаемый технический результат выражается в достижении комфортности антенны за счет устранения из се конструкции выступающих элементов.
Предлагаемая многомодовая печатная антенна, содержащая диэлектрическую пластину, металлический экран и полосковый проводник, которые расположены соответственно на нижней и верхней поверхностях диэлектрической пластины, и не менее двух элементов возбуждения, решает задачу уменьшения габаритных размеров.
Эта задача решается за счет того, что в полосковом проводнике выполнено отверстие, а в диэлектрической пластине с верхней стороны выполнено углубление, кромка углубления совпадает с кромкой отверстия в полосковом проводнике, поверхность диэлектрической пластины в области углубления металлизирована, причем металлизация углубления выполнена с электрическим контактом с полосковым проводником.
Возможен дополнительный вариант выполнения многомодовой печатной антенны, в котором с целью работы на волнах круговой поляризации диэлектрическая пластина, металлический экран, полосковый проводник, отверстие в полосковом проводнике и углубление выполнены с симметрией поворота на угол Δα вокруг общей оси поворота, ось поворота перпендикулярна плоскости диэлектрической пластины, угол Δα выполнен в соответствии с соотношением:
где М - целое число, большее или равное трем, элементы возбуждения расположены на окружности через одинаковые угловые расстояния Δβ, причем Δβ выбраны из условия:
где: Q - целое число, N - число элементов возбуждения, которое выполнено не меньшим трех, центр окружности совпадает с указанной осью поворота.
Возможен другой дополнительный вариант выполнения многомодовой печатной антенны, в котором с целью работы на волнах круговой поляризации и повышения технологичности диэлектрическая пластина, металлический экран, полосковый проводник, отверстие в полосковом проводнике и углубление выполнены в виде кругов с общей осью поворота, которая перпендикулярна плоскости диэлектрической пластины, число элементов возбуждения N выполнено не меньшим трех и расположены элементы возбуждения на окружности через одинаковые угловые расстояния Δβ, центр окружности совпадает с указанной осью поворота.
Также возможен еще один дополнительный вариант выполнения многомодовой печатной антенны, в котором с целью облегчения настройки вдоль оси поворота в диэлектрическую пластину через отверстие в металлическом экране введен центральный металлический штырь, причем электрический контакт между центральным штырем и металлическим экраном отсутствует, а в зазор между центральным штырем и металлическим экраном введен реактивный двухполюсник.
Также возможен дополнительный вариант выполнения многомодовой печатной антенны, в котором с целью упрощения конструкции и повышения простоты настройки элементы возбуждения выполнены в виде металлических штырей, которые введены в диэлектрическую пластину через отверстия, которые выполнены в металлическом экране, причем электрический контакт между металлическим экраном и металлическими штырями отсутствует, в зазоры между металлическими экранами и металлическими штырями введены согласующие четырехполюсники, согласующие четырехполюсники выполнены одинаковыми, один вход согласующего четырехполюсника соединен с металлическим штырем, а другой формирует вход многомодовой печатной антенны.
На фиг. 1 показан один из возможных вариантов выполнения многомодовой печатной антенны, предназначенный для работы с волнами линейной поляризации. Многомодовая печатная антенна содержит диэлектрическую пластину (1), металлический экран (2), полосковый проводник (3), которые расположены соответственно на нижней и верхней поверхностях диэлектрической пластины (1) и два элемента (4) возбуждения.
Диэлектрическая пластина (1), металлический экран (2) и полосковый проводник (3) выполнены прямоугольной формы с двумя плоскостями симметрии, которые совпадают с плоскостями XOZ и YOZ. В полосковом проводнике (3) выполнено отверстие прямоугольной формы, центр которого совпадает с центром диэлектрической пластины (1). В диэлектрической пластине (1) выполнено углубление (5). Углубление (5) имеет прямоугольную форму, совпадающую по форме и размерам с отверстием в полосковом проводнике (3). Поверхность диэлектрической пластины (1) в области углубления (5) покрыта слоем (6) металла, то есть металлизирована.
Высота углубления (5) меньше толщины диэлектрической пластины (1) h. Поэтому между металлическим экраном (2) и слоем (6) металла имеется зазор высотой а. Элементы (4) возбуждения показаны на фиг. 1 схематично. Они могут быть выполнены известным образом.
Рассмотрим функционирование многомодовой печатной антенны. Поскольку антенна является взаимным устройством, то ее можно рассматривать как в передающем, так и в приемном режимах. В приемном режиме антенна возбуждается плоской волной свободного пространства, которая падает на нее под произвольными углами падения θ, φ, где θ - угол места, φ - азимутальный угол.
rn
Многомодовая печатная антенна представляет собой объемный резонатор. Объемный резонатор характеризуется спектром собственных колебаний. Каждое колебание описывается распределением поля ,  и резонансной частотой f, где n - номер колебания.
Для работы в качестве многомодовой антенны два и больше собственных колебания резонатора должны быть настроены одну частоту, то есть иметь одинаковые или, по крайней мере, близкие резонансные частоты.
На первом этапе рассмотрим простейшую многомодовую печатную антенну с двумя собственными колебаниями, имеющими одинаковые частоты. Она показана на фиг. 2. Антенна содержит два элемента (4) возбуждения. В варианте, показанном на фиг. 2, многомодовая печатная антенна выполнена симметричной относительно плоскости YOZ. В принципе для работы с волнами линейной поляризации точное выполнение симметрии необязательно. Однако на практике наибольшее распространение имеют симметричные конструкции. Поэтому далее будем предполагать наличие плоскости симметрии.
z
z
В рассматриваемой многомодовой печатной антенне существуют два основных колебания, имеющие номера n=1, 2. Колебание с номером n=1 имеет нечетную зависимость основной компоненты электрического поля E от координаты 0х, а колебание с номером n=2, наоборот, четную зависимость компоненты E. Поля собственных колебаний сосредоточены преимущественно в диэлектрической пластине (1) между металлическим экраном (2) и полосковым проводником (3), а также электрически связанным с ним слоем (6) металла, который располагается на поверхности углубления (5).
Пусть на многомодовую печатную антенну падает волна в плоскости XOY, то есть ее азимутальный угол φ=0. Распределения векторов электрического  и магнитного  полей падающей волны в пространстве описываются экспоненциальной функцией:
где  - амплитуды компонент поля, k - волновое число свободного пространства.
а
а
z
Поле падающей возбуждает оба основных колебания одновременно. Коэффициент возбуждения колебания пропорционален интенсивности поля падающей волны при z=0, y=0, х=±/2, где  - размер многомодовой печатной антенны по оси 0х (см. Панченко, Нефедов Е.И.). Тогда E компоненту поля в многомодовой печатной антенне можно записать следующим образом:
n
a
a
где u(±/2) - средние напряжения поля n-го собственного колебания на кромках металлического экрана (2) и полоскового проводника (3) при x=±/2:
yi
y
где b - размер многомодовой печатной антенны по оси 0y, K - постоянный множитель, который определяется конкретной структурой антенны, h - амплитуда H компоненты магнитного поля падающей волны.
В силу симметрии полей собственных колебаний соотношение (2) можно упростить:
1,2
где K - постоянные комплексные коэффициенты.
zn
Отметим, что поле между двух металлических плоскостей параллельных плоскости XOY не зависит от координаты z. По этой причине поле собственных колебаний также практически не зависит от координаты z за исключением небольшой области вблизи границы углубления (5). Поэтому далее мы можем из аргументов функций e (х, у, z) исключить переменную z.
1,2
Поле собственных колебаний наводит на элементах (4) возбуждения электрические токи, которые, в свою очередь, возбуждают на выходах многомодовой печатной антенны сигналы, которые пропорциональны указанным токам. Так как элементы возбуждения расположены симметрично относительно начала координат и расстояние между ними равно l, то напряжения выходных сигналов U можно записать следующим образом:
В современных цифровых системах сигналы с выходов многомодовой печатной антенны после переноса частоты с СВЧ на промежуточную частоту могут быть оцифрованы и переданы в ЭВМ, которая может выполнять практически любые математические операции с поступившими в нее сигналами. В этом случае ДН формируется цифровым образом.
1,2
1
1,2
2
Из соотношений (5) видно, что, складывая сигналы U, мы получаем сигнал, имеющий нечетную зависимость V от угла θ с нулем при θ=0, а вычитая сигналы U, получаем четную зависимость V:
1,2
0
1,2
Далее, формируя линейные комбинации сигналов V, возможно создание ДН, имеющей нуль в направлении, которое задается углом θ. Для этого достаточно сложить указанные сигналы со следующими коэффициентами q:
Таким образом, мы видим, что при помощи многомодовой печатной антенны может быть решена задача подавления помех от сосредоточенных в пространстве источников за счет формирования нулей ДН.
Важным для нормальной работы многомодовой печатной антенны фактором является настройка всех рабочих колебаний на одну частоту. В традиционной печатной антенне также возможен многомодовый режим. Для этого наряду с колебанием, которое принято называть основным, необходимо использовать дополнительное колебание, получившее название конденсаторного (см. выше). Основное колебание является аналогом колебания с n=1 с нечетной зависимостью от координаты х. Конденсаторное колебание аналогично колебанию с n=2. Оно имеет четную зависимость электрического поля от х.
z1
Как отмечалось выше, недостатком конденсаторного колебания является невозможность независимой настройки его резонансной частоты на рабочую частоту многомодовой печатной антенны. В известной многомодовой антенне [6] настройка колебания, аналогичного конденсаторному, осуществляется за счет выбора длины металлического штыря, которая близка к четверти длины волны в свободном пространстве. Наличие выступающего металлического штыря увеличивает габаритные размеры многомодовой антенны и нарушает ее комфортность. Данный недостаток преодолевается в заявляемом техническом решении. Отметим, что в силу того, что функция e (х) является нечетной, то она имеет нуль в точке х=0. Следовательно, любые изменения конструкции антенны в центральной части, влияющие преимущественно на электрическое поле, не сказываются на основном колебании с n=1 и, наоборот, сильно влияют' на колебание с n=2.
r2
r1
К числу таких изменений относится изменение высоты антенны h, которое осуществляется в центральной части диэлектрической пластины (1) путем выполнения отверстия в полосковом проводнике (3), углубления (5) и металлизации поверхности диэлектрической пластины (1) в области углубления (5) слоем (6) металла. За счет выполнения углубления (5) в центральной части диэлектрической пластины (1) увеличивается емкость между металлическим экраном (2) и полосковым проводником (3) за счет уменьшения расстояния между ними в области углубления (5). Важно, что эта емкость влияет только на резонансную частоту колебания с n=2 с четной зависимостью электрического поля и практически не влияет на колебание с n=1. Таким образом, мы получаем возможность независимой регулировки резонансной частоты f и настройки ее на рабочую частоту. Настройка частоты f может быть осуществлена путем изменения других параметров, например размеров полоскового проводника (3).
Важно отметить, что настройка многомодовой печатной антенны не приводит к увеличению добротности ее колебаний и, следовательно, к сужению полосы рабочих частот. Добротность колебания определяется высотой антенны на ее краях, с которых происходит излучение в свободное пространство. Поэтому простое уменьшение толщины диэлектрической пластины (1) h может увеличить емкость между полосковым проводником (3) и металлическим экраном (2) и обеспечить настройку резонансных частот собственных колебаний. Однако при этом неизбежен рост добротности и уменьшение полосы устройства из-за ухудшения излучающей способности антенны. Уменьшение зазора между металлическими проводниками в центральной части многомодовой печатной антенны позволяет устранить указанный выше недостаток за счет того, что ее высота в излучающей области остается неизменной.
Важно также отметить, что в предложенном техническом решении настройка колебания с n=2 или конденсаторного колебания осуществляется без использования выступающих частей в виде металлических штырей, что приводит к уменьшению габаритов многомодовой печатной антенны по сравнению с известными техническими решениями.
Вариант многомодовой печатной антенны показан на фиг. 3. В нем с целью работы на волнах круговой поляризации диэлектрическая пластина (1), металлический экран (2), полосковый проводник (3), отверстие в полосковом проводнике и углубление (5) выполнены с симметрией поворота на угол Δα вокруг общей оси (7) поворота, ось (7) поворота перпендикулярна плоскости диэлектрической пластины (1), угол Δα выполнен в соответствии с соотношением:
где М - целое число М>3, в данном примере М=4, расположены элементы (4) возбуждения на окружности через одинаковые угловые расстояния Δβ, которые выбраны из условия:
где Q - целое число, N - число элементов (4) возбуждения, которое выполнено не меньшим трех, центр окружности совпадает с указанной осью поворота (7), в данном примере N=4, Q=1.
zn
z
z
В данном варианте многомодовой печатной антенны имеются три основных колебания, которые характеризуются полями e(x,y,z). Колебание с n=1 имеет нечетную зависимость компоненты E от координаты х и четную от координаты у. Зависимость поля от координаты z, как и раньше, за исключением окрестности углубления (5) практически отсутствует. Поле колебания с n=3 повторяет поле колебания первого типа с точностью до поворота на 90° вокруг оси (7) поворота. Следовательно, оно имеет четную зависимость компоненты E от координаты х и нечетную от координаты у. Колебание второго типа с n=2 имеет четную зависимость как от x, так и от y.
Таким образом, по сравнению с антенной линейной поляризации, изображенной на фиг. 2, в рассматриваемом варианте выполнения многомодовой печатной антенны (см. фиг. 3) появилось новое колебание с номером два. Причем его поле и соответствующая ему ДН повернуты относительно поля и ДН колебания с n=1 на 90° вокруг оси (7) поворота. Наличие еще одного колебания предоставляет дополнительную степень свободы, которая может быть использована для приема волн с круговой поляризацией.
ix,y
Пусть волна свободного пространства падает на многомодовую печатную антенну вдоль оси 0z, то есть при θ=0. Магнитное поле падающей под таким углом волны  в общем случае имеет две компоненты: h, которые определяют поляризацию волны. Повторяя преобразования, аналогичные выводу формул (2)-(4), находим электрическое поле внутри многомодовой печатной антенны:
Поле колебания с n=2 в соотношении (10) отсутствует, так как при θ=0 его вклад равен нулю.
1-4
Напряжения выходных сигналов U на элементах возбуждения (4) записываются следующим образом:
где А - коэффициент пропорциональности.
В силу симметрии поля, отмеченной выше, имеют место следующие соотношения:
При помощи выражений (12) находим:
1,2
Из соотношений (13) находим две линейные комбинации выходных сигналов V:
Благодаря симметрии поворота на 90° выполняется соотношение:
Таким образом:
Волна круговой поляризации имеет компоненты магнитного поля, связанные следующим образом:
1,2
1
2
Знаки в формуле (16) соответствуют правой и левой круговым поляризациям. Из соотношений (15), (16) следует, что комбинации сигналов V вида V±iV пропорциональны амплитудам волн разных круговых поляризаций, что показывает возможность приема таких волн при помощи многомодовой печатной антенны.
Формирование нуля ДН осуществляется при помощи колебания с n=2 аналогично случаю многомодовой печатной антенны, рассмотренному выше.
Настройка резонансных частот трех собственных колебаний в данном варианте многомодовой печатной антенны осуществляется при помощи углубления (5), поверхность которого металлизирована при помощи слоя (6) металла. Резонансные частоты колебаний с n=1,3 оказываются одинаковыми автоматически в силу симметрии поворота антенны на 90°. Колебание с n=2, которое относится к классу конденсаторных колебаний, настраивается выбором глубины углубления (5). При этом настройка данного колебания происходит независимо при минимальном влиянии на частоты колебаний с n=1,3, которые имеют нулевое электрическое поле в центре антенны.
Вариант многомодовой печатной антенны показан на фиг. 4. В нем с целью работы на волнах круговой поляризации диэлектрическая пластина (1), металлический экран (2), полосковый проводник (3), отверстие в полосковом проводнике (3) и углубление (5) выполнены в виде кругов с общей осью (7) поворота, которая перпендикулярна плоскости диэлектрической пластины (1), число элементов (4) возбуждения N≥3 и расположены элементы (4) возбуждения на окружности через одинаковые угловые расстояния Δβ, центр окружности совпадает с указанной осью (7) поворота.
Круглая форма имеет симметрию поворота на произвольный угол. Таким образом, в данном варианте выполнения многомодовой печатной антенны угол симметрии поворота определяется числом элементов (4) возбуждения. Поэтому с точки зрения принципов функционирования данный вариант выполнения многомодовой печатной антенны полностью аналогичен варианту, показанному на фиг. 3. Однако круглая форма во многих случаях более технологична и может быть выполнена с меньшими материальными затратами.
Вариант многомодовой печатной антенны показан на фиг. 5. В нем с целью облегчения настройки вдоль оси (7) поворота в диэлектрическую пластину (1) введен центральный металлический штырь (8), причем электрический контакт между центральным металлическим штырем (8) и металлическим экраном (2) отсутствует, а в зазор между центральным металлическим штырем (8) и металлическим экраном (2) введен реактивный двухполюсник (9).
В данном варианте многомодовой печатной антенны имеются дополнительные возможности независимой настройки конденсаторного колебания на рабочую частоту за счет изменения глубины погружения центрального металлического штыря (8) и выбора параметров реактивного двухполюсника. Как уже отмечалось выше, колебания, имеющие максимум ДН в направлении θ=0 (вдоль оси (7) поворота), имеют нуль электрического поля в центральной части диэлектрической пластины (1). Поэтому центральный металлический штырь (8) не влияет на их резонансные частоты и, наоборот, сильно влияет на резонансную частоту конденсаторного колебания, имеющего максимум поля в центральной части многомодовой печатной антенны. Аналогично реактивный двухполюсник также влияет только на резонансную частоту конденсаторного колебания.
Центральный металлический штырь (8) и реактивный двухполюсник (9) представляют собой последовательную цепь, которая может быть представлена эквивалентной схемой в виде последовательно соединенных индуктивности центрального металлического штыря (8) и сопротивления реактивного двухполюсника (9). Сопротивление реактивного двухполюсника имеет мнимый характер и может быть как больше (индуктивность), так и меньше нуля (емкость). Последовательная цепочка включена параллельно распределенному конденсатору, который образован пространством между полосковым проводником (3) и металлическим экраном (2). Вместе они образуют объемный резонатор, который можно описать эквивалентной схемой в виде параллельного контура.
Последовательная цепочка, состоящая из индуктивности центрального металлического штыря (8) и сопротивления реактивного двухполюсника (9), в общем случае представляет собой последовательный контур, сопротивление которого может меняться в широких пределах в зависимости от выбора параметров его элементов. Такое поведение сопротивления последовательной цепочки позволяет эффективно влиять на резонансную частоту конденсаторного колебания.
В качестве реактивного двухполюсника (9) может использоваться управляемый конденсатор - варактор или варикап. В этом случае между полосковым проводником (3) и металлическим экраном (2) должно быть приложено постоянное управляющее напряжение, меняя которое мы можем изменять емкость реактивного двухполюсника (9) и резонансную частоту конденсаторного колебания. Таким образом достигается возможность электронной настройки многомодовой печатной антенны.
Еще один вариант многомодовой печатной антенны показан на фиг. 6-8. В нем с целью упрощения конструкции и повышения простоты настройки элементы (4) возбуждения выполнены в виде металлических штырей (10), которые введены в диэлектрическую пластину (1) через отверстия (11), которые выполнены в металлическом экране (2), причем электрический контакт между металлическим экраном (2) и металлическими штырями отсутствует, в зазоры между металлическим экраном (2) и металлическими штырями введены согласующие четырехполюсники (12) (см. фиг. 7), согласующие четырехполюсники (12) выполнены одинаковыми, один вход согласующего четырехполюсника (12) соединен с металлическим штырем (10), а другой формирует вход многомодовой печатной антенны.
Выходы многомодовой печатной антенны, как показано на фиг. 7, выполняются в виде СВЧ линии (13) передачи, например, микрополосковой или коаксиальной. Сигнальный проводник линии передачи может быть подключен к металлическим штырям (10) непосредственно или через согласующий четырехполюсник (12). Экранный проводник линии (13) передачи подключается к металлическому экрану (2). На фиг. 7 его функцию выполняет металлический экран (2).
Схема включения согласующего четырехполюсника (12) показана на фиг. 8. Согласующий четырехполюсник (12) выполнен в виде Г-образного звена, состоящего из емкости С и индуктивности L. Возможны и другие способы выполнения согласующих четырехполюсников (12), например в виде Т-образного или П-образного звеньев. Один вход согласующего четырехполюсника (12) соединен с металлическим штырем (10), а другой формирует вход/выход многомодовой печатной антенны. Общий проводник (12) согласующей цепи соединен через отверстие (14) в подложке линии (13) передачи с металлическим экраном (2).
В данном варианте выполнения многомодовой печатной антенны имеются дополнительные возможности настройки резонансных частот собственных колебаний, а также согласования антенны по ее входам. Эти возможности обеспечиваются выполнением элементов (4) возбуждения в виде металлических штырей (10) и включением в зазор между металлическим штырем (10) и металлическим экраном (2) согласующего четырехполюсника (12). Указанный зазор образуется путем выполнения в металлическом экране (2) отверстия (11), через которое в диэлектрическую пластину (11) вводится металлический штырь (10).
Выполнение согласующего четырехполюсника (12) даже в простейшем в виде Г-образного звена позволяет согласовать произвольную комплексную нагрузку на выбранной частоте. Реальное входное сопротивление многомодовой печатной антенны может отличаться от оптимального сопротивления, у которого действительная часть равна характеристическому сопротивлению СВЧ линии (13) передачи, а мнимая равна нулю. В этом случае имеется рассогласование входа устройства, которое приводит к появлению отраженных волн и снижению эффективности антенны.
Согласование комплексной нагрузки при помощи реактивных четырехполюсников является известным в технике СВЧ приемом, который требует минимум две степени свободы, которые имеются у упомянутого выше Г-образного звена. Более сложные схемы, например Т- и П-образные, имеют больше степеней свободы и, следовательно, более широкие функциональные возможности.
Работоспособность заявляемой многомодовой печатной антенны подтверждается численными расчетами, проведенными при помощи системы электродинамического моделирования High Frequency System Simulator (HFSS), которая является общепризнанным средством для проведения численных экспериментов. Данная система обеспечивает высокую точность расчетов и их хорошее совпадение с экспериментальными результатами.
Численно анализировалась круглая многомодовая печатная антенна, показанная на фиг. 4. Она содержит диэлектрическую пластину (1) диаметром 51 мм и толщиной 8.9 мм, на ее поверхностях расположены металлический экран (2) и полосковый проводник (3). В полосковом проводнике выполнено круглое отверстие диаметром 24 мм. В диэлектрической пластине (1) выполнено углубление (5) диаметром 24 мм и глубиной 7.9 мм. Его поверхность металлизирована при помощи металлического слоя (6). Многомодовая печатная антенна содержит три элемента возбуждения (4) в виде металлических штырей (10). Возбудители (4) расположены на окружности диаметром 18.8 мм.
Металлические штыри (10) через отверстия (11) в экране (2) соединялись с СВЧ линиями (13) передачи, которые образуют выходы многомодовой печатной антенны.
1,2,3
1,2,3
В ходе численных расчетов определялись виртуальные ДН, образованные линейными комбинациями выходных сигналов U. Линейные комбинации, дающие напряжения V, формировались следующим образом:
1,2
1
2
3
Напряжения V имеют одинаковые зависимости от углов падения плоской волны. Они отличаются только поляризацией принимаемого излучения. Напряжение V соответствует правой круговой поляризации, а V - левой круговой. Обе ДН имеют максимумы в направлении θ=0. Зависимость от углов θ, φ напряжения V дает нам ДН с нулем при θ=0.
3
1
На фиг. 9а, б показаны трехмерные ДН. На фиг. 9а представлена ДН, соответствующая сигналу V, а на фиг. 9б сигналу V. Видно, что полученные в результате численных экспериментов ДН отвечают поставленным требованиям. ДН на фиг. 9а имеет нуль в направлении оси 0z, а ДН на фиг. 9б, наоборот, имеет в данном направлении максимум. Такие формы, полученных характеристик излучения подтверждают возможность достижения при помощи заявляемой многомодовой печатной антенны положительного технического эффекта.
1
3
На фиг. 10 показаны частотные зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ), которые рассчитаны для сигналов V и V (см. кривые 1 и 2 соответственно). Видно, что в окрестности частоты 1.5 ГГц КСВ имеет значения, меньшие 1.5, то есть многомодовая печатная антенна хорошо согласована. Отсюда следует вывод, что все рабочие колебания антенны настроены на рабочую частоту, которая в данном примере равна 1.5 ГГц.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, предназначено для использовании в промышленности, а именно в технике антенн, например, в качестве приемной антенны устройства спутниковой навигации;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, позволяет реализовать следующий технический результат: уменьшение габаритных размеров многомодовой печатной антенны при сохранении настройки всех ее собственных колебаний на рабочую частоту и без уменьшения полосы рабочих частот антенного устройства, также заявляемое антенное устройство создает возможность для цифрового формирования ДН, в частности, для подавления сосредоточенных в пространстве помех путем адаптивного формирования нулей ДН.
Источники информации
1. Т. Haddrell, J P. Bickerstaff, M. Phocas. Realisable GPS Antennas for Integrated Hand Held products. ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division, 13-16 September 2005, Long Beach, СA.
2. Wood С. Analysis of microstrip circular patch antenna // Proc. IEEE AP. 1981. V. 128. N2. P. 69.
3. Waterhause R. Small microstrip patch antenna // Electron. Lett. 1995. V. 31. N4. P. 604.
4. Банков С.Е. Антенны спутниковых навигаторов. M.: Изд-во «Перо». 2014. http: // jre. cplire.ru/jre/library/index.html.
5. US Patent 5523761, Differential GPS smart antenna. 4 June. 1996.
6. US Patent 5523761, Differential GPS smart antenna. 4 June. 1996.