ШИРОКОПОЛОСНАЯ ЩЕЛЕВАЯ ПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА ГНСС
BROADBAND SLIT STRIPLINE GNSS ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике, а именно, к щелевым полосковым антеннам вытекающей волны с круговой поляризацией, и может быть применено для приема сигналов Глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), включая ГЛОНАСС, GPS, COMPASS, GALILEO и др.
Технические требования к приемным антеннам ГНСС различаются в зависимости от назначения приемников. Для точных метрологических приложений ГНСС необходима слабонаправленная приемная антенна, обладающая стабильным фазовым центром, характеристиками идеальной правой круговой поляризации и подавлением многолучевости.
Одна из антенн, наиболее полно удовлетворяющих перечисленным выше требованиям - щелевая полосковая антенна вытекающей волны. В данной антенне сигнал принимается резонансными щелевыми излучателями, далее за счет электромагнитной связи передается в микрополосковую линию (МПЛ), поэтому такая антенна называется антенной вытекающей волны.
С увеличением числа рабочих диапазонов частот ГНСС и запуском в работу новых систем ГНСС необходимо расширять и рабочий диапазон частот приемной антенны. Для расширения рабочего диапазона частот щелевой полосковой антенны вытекающей волны необходимо настроить резонансные частоты щелевых излучателей в требуемом более широком диапазоне частот и обеспечить согласование МПЛ с резонансными щелевыми излучателями и с фидером в более широком диапазоне частот. Поэтому разработка топологии МПЛ для расширения диапазона рабочих частот щелевых полосковых антенн вытекающей волны является одной из важнейших задач.
Известна щелевая полосковая антенна с круговой поляризацией [Patent US 2002/0067315 A1, Filed: 16 Aug., 1999, Pub. Date: 6 Jun., 2002]. Антенна выполнена на диэлектрической подложке с двусторонней металлизацией. На верхней металлизированной стороне подложки выполнены резонансные щелевые излучатели, которые могут включать изогнутые и (или) прямые сегменты, могут быть одинаковыми или разной длинны и могут быть ориентированы по или против часовой стрелки для приема сигнала с правой круговой или левой круговой поляризацией. На нижней металлизированной стороне подложки выполнена МПЛ, часть которой формирует дугу с радиусом R относительно геометрического центра антенны. К одному концу МПЛ может быть подключен фидер, а другой конец МПЛ может заканчиваться импедансной нагрузкой для формирования в МПЛ режима бегущей волны.
Недостатком такой антенны является то, что индуктивная связь МПЛ с резонансными щелевыми излучателями относительно слабая, что не позволяет расширять диапазон рабочих частот такой антенны.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является щелевая полосковая антенна вытекающей волны [Patent WO 2007/009216 A1 Filed: 19 July 2005, Pub. Date: 25 January 2007]. Антенна выполнена на диэлектрической подложке с двусторонней металлизацией. На верхней металлизированной стороне диэлектрической подложки выполнены щелевые излучатели. Для формирования правой либо левой круговой поляризации щелевые излучатели закручены вокруг геометрического центра антенны соответственно по правовинтовой либо левовинтовой спирали. На нижней металлизированной стороне выполнена МПЛ. Она выполнена в виде спирали, проходящей под каждой щелью дважды, что позволяет увеличить индуктивную связь щелевых излучателей с МПЛ.
Недостатком такой антенны является то, что хотя в ней связь щелевых излучателей с МПЛ и увеличена, она все еще остается недостаточной для дальнейшего расширения диапазона рабочих частот.
Техническим результатом изобретения является значительное расширение диапазона рабочих частот антенны.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемой антенне, содержащей диэлектрическую подложку, на верхней металлизированной стороне которой выполнены щелевые излучатели, а на нижней металлизированной стороне выполнена МПЛ, которая включает в себя две дуги, выполненные с разными радиусами относительно геометрического центра диэлектрической подложки, каждая дуга проходит под всеми щелевыми излучателями, соединяется с одной стороны с верхней металлизированной стороной подложки через активное сопротивление, а с другой стороны соединяется с проводником, являющимся общим для двух дуг.
Отличие заявляемой антенны от наиболее близкого аналога заключается в том, что МПЛ включает в себя две дуги, выполненные с разными радиусами относительно геометрического центра диэлектрической подложки, каждая дуга проходит под всеми щелевыми излучателями, соединяется с одной стороны с верхней металлизированной стороной подложки через активное сопротивление, а с другой стороны соединяется с проводником, являющимся общим для двух дуг.
Благодаря тому что МПЛ включает в себя две дуги, каждая из которых соединяется с одной стороны с верхней металлизированной стороной подложки через активное сопротивление, а с другой стороны соединяется с проводником, являющимся общим для двух дуг, она образует многомодовый резонатор бегущей волны. При этом наличие в МПЛ проводника, общего для двух дуг, является принципиально важным для образования многомодового резонатора. Для обеспечения оптимального коэффициента связи между модами МПЛ необходимо кроме длин дуг настроить длину и ширину проводника, являющегося общим для двух дуг. Кроме того, данный проводник может так же выполнять функцию трансформатора волнового сопротивления для согласования волновых сопротивлений МПЛ и фидера. Поэтому в заявляемой антенне МПЛ принципиально отличается от МПЛ, выполненной в виде одной дуги или двойной спирали тем, что она не только включает в себя две дуги с общим проводником, а образует многомодовый резонатор. Благодаря взаимодействию мод между собой, такой резонатор позволяет значительно расширить частотный диапазон согласования МПЛ со щелевыми излучателями и с фидером, и, в конечном итоге, расширить диапазон рабочих частот антенны. Благодаря тому, что каждая дуга МПЛ проходит под всеми щелевыми излучателями, в такой антенне удается увеличить коэффициент индуктивной связи щелевых излучателей с МПЛ.
Изобретение поясняется фиг. 1-3. Данные иллюстрации являются частичным пояснением заявляемой антенны и не отражают все аспекты заявки полностью. В частности, иллюстрации фиг. 1 и фиг. 3 приведены только для антенн с правой круговой поляризацией.
Подписи к фигурам
Фиг. 1. Широкополосная щелевая полосковая антенна ГНСС.
11
Фиг. 2. Типичные частотные зависимости коэффициента S для разных типов МПЛ.
Фиг. 3. Схематическое изображение активной антенны ГНСС.
На фиг. 1 показана заявляемая широкополосная щелевая полосковая антенна ГНСС со стороны МПЛ. Диэлектрическая подложка (1) имеет двустороннюю металлизацию. На верхней металлизированной стороне подложки выполнены резонансные щелевые излучатели (2-13), закрученные вокруг геометрического центра антенны. Они показаны на рисунке штриховой линией. Количество щелевых излучателей может выполняться произвольным. В частности, на фиг. 1 показан вариант выполнения антенны с двенадцатью щелевыми излучателями.
На нижней металлизированной стороне выполнена МПЛ. Она включает в себя две дуги (14, 15), выполненные с разными радиусами относительно геометрического центра антенны. Каждая дуга проходит под всеми щелевыми излучателями и через активное сопротивление (16, 17 соответственно) соединяется с одной стороны с верхней металлизированной стороной подложки (18, 19 соответственно), а с другой стороны (20, 21 соответственно) соединяется с проводником (22), являющимся общим для двух дуг, и, далее, через трансформатор волнового сопротивления (23) с фидером (24).
11
На фиг. 2 показаны: (а) - типичные частотные зависимости коэффициента S для антенн с разными МПЛ, (б) - антенна с МПЛ, часть которой формирует одну дугу с радиусом относительно центра антенны, (в) - антенна с МПЛ, выполненной в виде спирали, проходящей под каждой щелью дважды, (г) - заявляемая антенна с МПЛ, включающей в себя две дуги, выполненные с разными радиусами относительно геометрического центра диэлектрической подложки, каждая дуга проходит под всеми щелевыми излучателями, соединяется с одной стороны с верхней металлизированной стороной подложки через активное сопротивление, а с другой стороны соединяется с проводником, являющимся общим для двух дуг.
11
11
Из фиг. 2 видно, что с помощью предложенного нового технического решения удается значительно расширить диапазон рабочих частот антенны (кривая г). Так по уровню коэффициента S минус 14 дБ, что соответствует значению коэффициента стоячей волны 1.5, в предлагаемом новом техническом решении диапазон рабочих частот антенны расширен более чем от 0.8 до 2 ГГц, в то время как известные решения (кривые б и в) обеспечивают гораздо меньший рабочий диапазон частот по тому же уровню коэффициента S.
На фиг. 3 схематично изображена активная широкополосная щелевая полосковая антенна ГНСС (вид сбоку).
Антенна работает следующим образом. СВЧ сигнал с круговой поляризацией принимается резонансными щелевыми излучателями. Электрические длины щелевых излучателей настроены на необходимый рабочий диапазон частот антенны. Далее СВЧ сигнал со щелевых излучателей передается в МПЛ. Благодаря тому что МПЛ выполнена в виде многомодового резонатора, диапазон рабочих частот антенны удается существенно расширить. Далее из МПЛ СВЧ сигнал через фидер поступает на малошумящий усилитель приемника ГНСС.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки, ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», Соглашение №14.604.21.0038.