МНОГОДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ С МЕТАМАТЕРИАЛОМ
MULTIRANGE ANTENNA OF CIRCULAR POLARISATION WITH METAMATERIAL

Изобретение относится к антенной технике и может быть широко использовано в качестве самостоятельной приемной, передающей или приемо-передающей многодиапазонной антенны или элемента фазированной антенной решетки. В частности, антенна может применяться как приемная антенна в аппаратуре пользователей космических навигационной систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS и т.п.), работающей одновременно в диапазонах L1, L2, L3, L4 и L5, или в качестве элемента фазированной антенной решетки с адаптивной обработкой сигналов для формирования «нулей» в диаграмме направленности (ДН) в направлении прихода преднамеренных или непреднамеренных (отраженных) помех в той же аппаратуре.
Наиболее широко используемыми устройствами многочастотных микрополосковых антенн (МПА) являются устройства, у которых антенны на различные частотные диапазоны размещаются друг над другом таким образом, что антенны на более высокие частотные диапазоны расположены над антеннами на более низкие частотные диапазоны. Причем каждая упомянутая антенна служит земляной плоскостью для антенны над ней. Такие антенны получили название МПА этажерочного типа. Они могут запитываться от одного фидера, или от двух и более. В первом случае либо только одна антенна возбуждается непосредственно от фидера, а остальные связаны с ней посредством паразитной связи, либо запитываемые антенны объеденены с помощью согласующе-суммирующего устройства. Во втором случае каждая или несколько антенн запитываются от раздельных фидеров.
4
Известна двухчастотная микрополосковая антенна, предназначенная для использования в глобальной навигационной спутниковой системе GPS в качестве самостоятельной антенны или элемента адаптивной антенной решетки, состоящая из двух расположенных друг над другом дисковых излучателей различного диаметра, разделенных диэлектрической пластиной и установленных соосно на вертикальной металлической стойке, замкнутой на основание антенны (патент США №4827271, МКИ H01Q 1/38, опубл. 02.05.1989 г.). Между основанием и дисками также установлена пластина диэлектрика. Основанием антенны служит внешняя обкладка направленного ответвителя (НО), выполненного на связанных полосковых линиях и питающего пару штырей, проходящих через отверстия в основании и нижнем дисковом излучателе и подключенных к верхнему дисковому излучателю в точках, расположенных под углом 90° относительно центра диска (для обеспечения излучения поля круговой поляризации). Радиальное расстояние, на котором подключены штыри к верхнему диску, выбрано из условия импедансного согласования верхнего дискового излучателя со штырями в верхнем частотном диапазоне, а отверстия в нижнем дисковом излучателе выполнены грушевидной формы для обеспечения его импедансного согласования со штырями в нижнем частотном диапазоне. Запитывается двухчастотная микрополосковая антенна от общего коаксиального кабеля.
Известна двухчастотная антенна, предназначенная для использования в качестве приемной антенны навигационных приемников глобальной навигационной спутниковой системы, состоящая из двух подложек, на которые нанесены микрополосковые резонансные элементы частотных диапазонов L1, L2 (патент ФРГ №DE 3814382 A1, опубл. 9.11.89). Основанием антенны служит внешняя обкладка согласующего устройства, выполненного на симметричных полосковых линиях и питающего пару штырей, один из которых подключен к нижнему резонансному элементу, а второй пропущен через отверстие в центре первого резонансного элемента и подключен к верхнему резонансному элементу на некотором удалении от его центра. Запитывается двухчастотная микрополосковая антенна через согласующее устройство от общего коаксиального кабеля.
Известна также многодиапазонная микрополосковая антенна этажерочного типа, состоящая из первого антенного элемента, второго антенного элемента, третьего антенного элемента и четвертого антенного элемента, каждый из которых включает печатный проводник и диэлектрическую подложку, разделительной платы, включающей две изолированные друг от друга печатные проводящие площадки и диэлектрическую подложку, высокочастотного коаксиального кабеля, передающей линии, первого штыря, второго штыря, проводящего экрана, первого высокочастотного соединителя и второго высокочастотного соединителя, причем каждый антенный элемент имеет отверстие в центре для прохождения коаксиального кабеля и отверстие на расстоянии от центра для прохождения соответственно первого и второго штырей, каждый печатный проводник антенного элемента имеет «окно», большего по сравнению с диаметром штыря размера для бесконтактного прохождения сквозь него штыря, при этом указанные «окна» в печатных проводниках первого и третьего антенных элементов выполнены круглой формы, а «окна» в печатных проводниках второго и четвертого антенных элементов выполнены грушевидной формы с ориентацией узкой части к краю печатного проводника, разделительная плата имеет отверстие в центре для прохождения коаксиального кабеля и одно отверстие вне центра для прохождения второго штыря, все четыре антенных элемента и разделительная плата скреплены между собой, а печатные проводники антенных элементов электрически соединены в центре с внешним проводником высочастотного коаксиального кабеля, соединенным электрически с проводящим экраном через первый высокочастотный соединитель, при этом внутренний проводник высокочастотного коаксиального кабеля одним концом электрически соединен с первым высокочастотным соединителем, а другим концом электрически соединен с одним концом передающей линии, второй конец передающей линии электрически соединен с первым штырем, который пропущен через отверстия в первой и второй диэлектрических подложках и в их печатных проводниках без электрического контакта с ними и электрически соединен с первой печатной проводящей площадкой на разделительной плате, а второй штырь одним концом электрически соединен с центральным проводником второго высокочастотного соединителя, пропущен через отверстия в диэлектрических подложках третьего и четвертого антенных элементов, в разделительной плате и в печатных проводниках без электрического контакта с ними и электрически соединен со второй печатной площадкой на разделительной плате, причем первый и второй высокочастотные соединители установлены на проводящем экране и служат для подключения к ним подводящих фидеров передающих или приемных устройств (патент RU №2315398 C1, опубл. 20.01.2008).
Основным недостатком МПА этажерочного типа является большое взаимное влияние элементов антенны, обеспечивающих ее работу в различных частотных диапазонах, и, как следствие, искажение формы диаграммы направленности (ДН) в каждом из рабочих частотных диапазонов. Вторым недостатком МПА этажерочного типа является многоэтажность конструктивного исполнения.
Менее используемыми, но наиболее компактными устройствами многочастотных микрополосковых антенн (МПА) являются устройства, в которых антенные элементы на различные частотные диапазоны размещаются в одной плоскости, как вариант - на одной подложке.
к
g
g
Известна двухчастотная антенна, образованная композитной кольцевой право/левовинтовой передающей линией, отдельные ячейки которой соединены проводниками в центре и заземлены. Как и для обычной кольцевой антенны, резонансное излучение возможно на частотах, на которых поддерживается кратное целой длине волны распределение поля в кольцевом резонаторе (l=nλ, где n=1, 2, 3… - номер моды, λ - длина волны в композитной линии). При этом двухчастотность на каждой моде достигается за счет расщепления дисперсионной кривой левовинтовой передающей линии (метаматериала) вследствие ее дуальной природы. Нижняя рабочая частота соответствует λ-моде в левовинтовой области (обратная волна, n=-1), а верхняя рабочая частота соответствует λ-моде в правовинтовой области (прямая волна, n=+1) композитной передающей линии. На обеих частотах достигается идентичное распределение поля вдоль кольцевого антенного элемента, а следовательно, и идентичные характеристики антенны. При этом антенна имеет малые поперечные размеры за счет применения метаматериала (Antennas and Propagation Society International Symposium. July 2005, pp.684-687).
Недостатком этого изобретения является то, что в такой антенне сложно реализовать произвольное соотношение рабочих частот.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является многочастотная микрополосковая антенна, в которой может быть реализовано большое количество частот и сами частоты могут устанавливаться произвольно. Многочастотная МПА содержит в качестве антенных элементов кольцевые антенные элементы с внешними формами, симметричными относительно центра МПА, а также планарный антенный элемент, сформированный во внутреннем кольцевом антенном элементе и имеющий внешние формы, также симметричные относительно центра МПА. МПА также содержит средство питания антенных элементов: Г-образный штырь связи для питания кольцевых антенных элементов и центрального антенного элемента за счет электромагнитной связи горизонтальной части штыря сложной формы с вышеперечисленными антенными элементами (выложенная международная заявка WO 2007060782 от 31.05.2007 г.).
Недостатком данного изобретения является то, что в заявленной МПА антенные элементы и зонд (горизонтальная его часть) расположены в разных плоскостях. Как следствие, подложка МПА должна состоять из двух частей: на одной (верхней) части формируются антенные элементы, а на второй (нижней) - горизонтальная часть штыря зонда, соединенная перемычкой с выходным разъемом МПА.
Техническим результатом изобретения является достижение большей компактности и технологичности изготовления многодиапазонной МПА за счет конструктивного объединения антенных элементов с использованием метаматериала и элементов устройства возбуждения, а именно выполнения их в одной плоскости, а также миниатюризация многодиапазонной МПА.
Это достигается тем, что многодиапазонная антенна круговой поляризации с метаматериалом, содержащая кольцевые антенные элементы с внешними формами, симметричными относительно центра, планарный антенный элемент, сформированный во внутреннем кольцевом антенном элементе, кольцевые антенные элементы выполнены из метаматериала в форме планарных проводящих дорожек с зазорами между смежными дорожками 0,1-0,5 мм, многодиапазонная антенна дополнительно содержит средства питания для обеспечения приема-излучения поля круговой поляризации, включающие направленный ответвитель, два штыря, соединяющие оба выхода направленного ответвителя с планарным антенным элементом в двух точках, расположенных под углом 90° относительно центра антенны, четыре отрезка полосковых линий, соединенные с планарным антенным элементом и каждая с сегментами кольцевых антенных элементов, расположенными вдоль одной оси, при этом планарный антенный элемент снабжен четырьмя щелями, расположенными от края к центру, причем четыре отрезка полосковых линий расположены возле краев четырех щелей симметричным образом, элементы и четыре отрезка полосковых линий выполнены на общей диэлектрической подложке, а основание антенны выполнено на внешней обкладке направленного ответвителя, выполненного на основе связанных полосковых линий.
Как вариант планарный антенный элемент заземлен в его центре с помощью перемычки.
В другом варианте к разомкнутым концами смежных сегментов разрезных кольцевых антенных элементов присоединены с электрическим контактом сосредоточенные емкости величной от 0,1 до 1 пФ.
Многодиапазонная микрополосковая антенна плоскостного типа изображена на Фиг.1, 2 и состоит из первого планарного антенного элемента 1 и разрезных кольцевых планарных антенных элементов 2, 3,…N с внешними формами, симметричными относительно центра МПА, четырех отрезков полосковых проводников N+1, двух штырей N+2, направленного ответвителя N+3, высокочастотного соединителя N+4 и экрана N+5.
Первый планарный антенный элемент 1 выполнен в центре МПА, внутри кольцевых антенных элементов 2, 3,…N, и имеет симметричную форму. В топологии первого антенного элемента имеются четыре щели, отходящие от его краев к центру и расположенные с пространственным интервалом в 90° относительно центра МПА (для обеспечения согласования и подстройки первого антенного элемента). Разрезные кольцевые планарные элементы 2, 3,…N соединены электрически с планарным элементом 1 с помощью четырех отрезков полосковых проводников N+1, которые расположены по одинаковым (правым или левым) сторонам четырех щелей.
Все антенные элементы выполнены на общей диэлектрической подложке. Основанием микрополосковой антенны служит внешняя обкладка направленного ответвителя (НО) N+3, выполненного на связанных полосковых линиях и питающего пару штырей N+2, проходящих через отверстия в основании и пластине диэлектрика и подключенных к центральному антенному элементу в точках, расположенных под углом 90 относительно центра МПА (для обеспечения излучения поля круговой поляризации) симметрично относительно центральной линии одной из щелей (произвольной). Запитывается многочастотная микрополосковая антенна от общего коаксиального кабеля, который подсоединяется к высокочастотному соединителю N+4, установленному в проводящем (земляном) экране N+5.
Проводящий экран N+5 имеет электрическое соединение с основанием антенны и служит для создания преимущественно однонаправленного излучения (приема) многодиапазонной микрополосковой антенны.
Принцип работы микрополосковой антенны хорошо известен и состоит в том, что при подаче высокочастотного сигнала на вход антенны в ней возбуждаются высокочастотные колебания определенного типа, а излучение осуществляется за счет поля, «выступающего» из кромок антенны, а именно из зазоров между печатным проводником антенного элемента и экранной плоскостью.
В каждом антенном элементе возможно возбуждение множества типов колебаний (мод), но только самая низшая из них формирует осевую ДН, высшие типы колебаний дают тороидальные ДН с провалом в осевом направлении. Низшими типами колебаний для простейших видов излучающих печатных проводников являются: мода ТМ10 для прямоугольного, мода ТМ11 для круглого и кольцевого излучателя. Для согласования антенного элемента с питающим штырем точку его подключения (точку питания) необходимо совместить с точкой, в которой входное сопротивление равно 50 Ом на центральной частоте диапазона. В рабочем диапазоне частот входное сопротивление становится комплексным, а диапазон согласования по заданному значению КСВн тем шире, чем толще диэлектрическая подложка антенного элемента.
1
1
1
1
В заявляемой антенне все кольцевые антенные элементы выполнены по типу композитной кольцевой левовинтовой (векторы E, H, k образуют левую тройку векторов) передающей линии, образованной емкостями C разрезов и индуктивностями L отрезков полосковых проводников. Все это вместе с сегментами кольцевых антенных элементов образует метаматериал, который может быть представлен в виде эквивалентной CL-цепочки [см. фиг.3 с эквивалентной схемой двухдиапазонной (для простоты) печатной антенны с внешним метаматериалоподобным кольцом]. Через центральный антенный элемент 1 индуктивности L зашунтированы на основание антенны посредством большой емкости, образованной печатным проводником планарного антенного элемента 1 и основанием (внешней обкладкой НО). В случае, если вышеуказанная емкость оказывается недостаточной для осуществления шунтирования индуктивности L, то в центре первого планарного антенного элемента 1 выполняется перемычка N+6, электрически соединяющая печатный проводник антенного элемента 1 с основанием антенны (см. фиг.4). Такая перемычка не влияет на работу центрального антенного элемента при его возбуждении в основной моде, т.к. в этом случае центральная точка вышеупомянутого антенного элемента является точкой нулевого потенциала.
1
Разрезы в кольцевых антенных элементах могут иметь произвольную форму: прямую, зигзагообразную, меандровую и т.п. От формы разрезов зависит величина емкости С, которая, в свою очередь, задает соотношение рабочих частот антенны. Если величина емкости оказывается недостаточной для обеспечения требуемого соотношения рабочих частот, то, как вариант, емкости могут быть выполнены в виде сосредоточенных элементов, присоединенных электрически (припаянных) к разомкнутым концам отрезков полосковых проводников с чип-емкостями (см. поз.4, фиг.5).
Размеры антенных элементов 1, 2,…N увеличиваются по мере роста номера элемента. Следовательно, резонансные частоты антенных элементов убывают по мере возрастания номера антенного элемента. Запитка всех антенных элементов осуществляется от одного направленного ответвителя в двух точках со сдвигом фаз 90° во всех рабочих частотных диапазонах, что обеспечивает излучение (прием) поля круговой поляризации. С этой целью направленный ответвитель выполняется на связанных полосковых линиях, что обеспечивает его широкополосность. Две точки запитки заявляемой МПА расположены на первом антенном элементе симметрично относительно одной из щелей и соединены с выходом НО N+3 с помощью двух штырей N+2. Радиальное расстояние, на котором подключены штыри к центральному антенному элементу, должно быть выбрано из условия импедансного согласования МПА с штырями (выходами НО) в центральном диапазоне работы антенны.
В первом антенном элементе выполняются четыре щели для обеспечения симметрии при работе в режиме излучения или приема поля круговой поляризации. Щели, кроме функции согласования микрополосковой антенны с запитывающими штырями и подстройки рабочей частоты центрального антенного элемента, также уменьшают размеры первого антенного элемента относительно размеров антенного элемента без щелей при работе на той же частоте, что способствует уменьшению влияния центрального элемента на характеристики направленности разрезных кольцевых антенных элементов. Дополнительная подстройка согласования в верхних частотных диапазонах достигается за счет изменения ширины полосковых проводников N+l.
Применение метаматериала в конструкции многодиапазонной антенны позволяет уменьшить габариты антенны, обеспечить синфазность токов во всех антенных элементах и достичь необходимой для работы НО развязки выходов антенны (не менее 15 дБ) во всех рабочих диапазонах частот, что недостижимо другими способами.
Двухдиапазонная антенна для навигационной системы ГЛОНАСС приведена на фиг.6а (вид сверху) и фиг.6б (вид сбоку). Конструкция антенны включает: 5 - антенный элемент с метаматериалом, 6 - экран, 7 - обтекатель антенны, 8 - направленный ответвитель, 9 - коаксиальный разъем, 10 - коаксиальный кабель. В антенном элементе применены емкости номиналом 0,2 пФ.
КСВ выходов антенного элемента приведены на фиг.7а (расчетные значения, полученные в пакете программ CST Microwave Studio) и фиг.7б (экспериментальные значения).
КСВ выхода направленного ответвителя приведены на фиг.8 (экспериментальные значения).
Диаграммы направленности для частоты 1247 МГц приведены на фиг.9а (расчетные значения) и фиг.9б (экспериментальные значения).
Диаграммы направленности для частоты 1600 МГц приведены на фиг.10а (расчетные значения) и фиг.10б (экспериментальные значения).
Азимутальные зависимости поля излучения для частоты 1247 МГц приведены на фиг.11а (расчетные значения) и фиг.11б (экспериментальные значения).
Азимутальные зависимости поля излучения для частоты 1600 МГц приведены на фиг.12а (расчетные значения) и фиг.12б (экспериментальные значения).