ЭКРАН ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ МНОГОЛУЧЕВОГО ПРИЕМА СИГНАЛОВ И АНТЕННАЯ СИСТЕМА С ТАКИМ ЭКРАНОМ
SCREEN FOR INHIBITING MULTIBEAM SIGNAL RECEPTION AND ANTENNA SYSTEM HAVING SAID SCREEN

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к антеннам и, в частности, к экранам (ground planes) для подавления эффекта многолучевого приема в геодезических системах и системах определения местоположения.
Уровень техники
В системах глобальной спутниковой навигации (GNSS) при приеме сигналов от спутников возникает эффект многолучевого приема сигнала. Принятый антенной сигнал представляет собой комбинацию основного (прямого) и отраженного от подстилающей поверхности и окружающих объектов сигналов. Наличие последнего негативно сказывается на работе всей системы. Поэтому для подавления эффекта многолучевого приема приемная антенна обычно располагается на экране. На практике используются различные типы экранов, например плоский металлический экран, экран типа дроссельных колец (choke-ring) и др.
Достоинством плоского металлического экрана является простота его конструкции, однако для эффективного подавления сигналов, отраженных от подстилающейся поверхности, он должен иметь достаточно большой размер, обычно порядка несколько длин волн принимаемого сигнала, что ограничивает его применение.
Заметно лучшим подавлением многолучевого сигнала при меньших габаритных размерах обладает экран типа Choke-Ring. Основы choke ring экранов показаны в J.M.Tranquilla et al. "Analysis of a Choke Ring Groundplane for Multipath Control in Global Positioning System (GPS) Applications", Proc. IEEE AP, vol.AP-42, No 7, pp.905-911, July 1994. Экран типа choke ring представляет собой набор вертикальных металлических ребер цилиндрической формы, расположенных на плоском металлическом диске. Благодаря этому удается существенно сократить уровень сигналов, отраженных от подстилающейся поверхности сигналов. Однако имеются и определенные недостатки у таких экранов, в частности использование экрана choke ring приводит к нежелательному обужению диаграммы направленности (ДН) антенны. Обужение ДН антенны приводит к недостаточным характеристикам слежения для спутников на низких углах возвышения. Структура choke ring экрана является частотно-зависимой. Глубина углублений составляет около четверти длины волны принимаемого сигнала. В настоящее время появляются новые GNSS сигналы (GPS L5, GLONASS L3, GALILEO Е6 and E5), и полный частотный спектр GNSS сигналов значительно увеличивается, что требует расширения диапазона частот в системе GSSN в каждом диапазоне, и характеристики традиционных choke ring экранов становятся ограниченными.
Известен патент US 6278407, где в канавках choke ring экрана размещены диафрагмы с микрополосковыми фильтрами. Фильтры настроены так, чтобы диафрагмы не препятствовали прохождению сигнала низкочастотного диапазона (GPS/GLONASS L2) и при этом отражали сигнал высокочастотного диапазона (GPS/GLONASS L1). Положение диафрагм выбирается так, чтобы обеспечить наилучшее подавление многолучевого сигнала в диапазоне L1. Однако такая конструкция является двухчастотной и не решает проблему обеспечения хорошего подавления многолучевого сигнала во всей полосе частот GNSS диапазона. Также сохраняется проблема обужения диаграммы направленности.
Таким образом, существует потребность в преодолении вышеуказанных проблем. Для этого согласно изобретению предложена конструкция экрана, позволяющая обеспечить широкую ДН при сохранении эффективного подавления многолучевого сигнала в широком диапазоне частот. А также обеспечить эффективное использование пространства внутри антенной системы для размещения различных схем обработки сигнала, таких как малошумящего усилителя (МШУ), GPS приемника, беспроводного модема и др.
Сущность изобретения
Согласно изобретению предложена конструкция экрана для уменьшения эффекта приема многолучевого сигнала, включающая: несущее основание, имеющее форму выпуклой поверхности, на, по меньшей мере, части внешней поверхности которого размещен набор отделенных друг от друга проводящих структур, например, в виде штырей.
Штыри 10 упорядоченно размещаются на выпуклой поверхности с определенным угловым расстоянием по меридиональному и азимутальному углам. Угловое расстояние по азимутальному углу может быть различным для разных меридиональных углов. Штыри могут располагаться как рядами или, как вариант, в шахматном порядке. Количество рядов штырей выбирается исходя из требуемых характеристик подавления эффекта многолучевого приема. Предпочтительно, но не ограничено этим, использовать по меньшей мере два ряда штырей. Плотность установки штырей 10 может меняться, например, по мере их приближения к экваториальной плоскости, чтобы расстояние между штырями не менялось, их количество может быть увеличено.
Каждый штырь характеризуется своим максимальным поперечным размером а, длиной L от основания сферы до конца штыря, а также расстоянием d между окончаниями близлежащих штырей. Поперечный размер а штыря намного меньше его длины L. Длина штыря имеет значение вблизи λ/4, где λ - длина волны на нижней частоте диапазона. Как вариант длина штыря может изменяться и варьируется в зависимости от меридиального угла, как показано на фиг.12. Как вариант длина штырей, расположенных по меридианной плоскости, уменьшается от верхней точки экрана, т.е. точки, на которой устанавливается антенна, к основанию экрана.
Штыри 10 располагаются с определенным шагом d в меридиальной и в экваториальной плоскостях так, чтобы расстояние между внешними их концами в ряду составляло от 0.05λ до 0.3λ. Поперечный размер а или диаметр штырей намного меньше его длины L и может составлять, например, от 4 мм до 20 мм.
Экран 20 представляет собой выпуклую поверхность, например, в форме полной сферы, эллипсоида или частей их поверхностей. Диаметр сферы может составлять, как пример, от λ до 3λ длины волны на нижней частоте диапазона.
Штыри 10 выполнены в виде элементов различного поперечного сечения, например цилиндрических или прямоугольных элементов, конических элементов, т.е. утолщаются по мере удаления от основания, цилиндрические со шляпкой на конце, т.е. имеющие утолщение на конце, в форме грибка, а также при исполнении из листового материала могут иметь форму трапеции, т-образной или г-образной формы.
Штыри 10 соединены с проводящей поверхностью сферы 20 различным образом, например, путем пайки, клепки, а также на различных соединительных 11 элементах: резьбовых, винтах и др.
Также предложена антенная система с экраном для уменьшения эффекта приема многолучевого сигнала, содержащая: экран 20, выполненный, согласно вышеописанной конструкции, в виде набора штырей 10, расположенных на проводящей выпуклой поверхности, и антенный элемент - антенна 30, которая расположена непосредственно на проводящем экране 20 или на поддерживающей опоре 40 на определенной высоте от экрана.
Поддерживающая опора 40 выполнена из проводящего или диэлектрического материала, например, представляет собой диэлектрические проставки. Дополнительно антенная система с экраном 20 может быть помещена под защитный колпак 50.
Эти и другие конструктивные особенности и преимущества предложенного изобретения описаны в предпочтительных вариантах изобретения, которое должно читаться совместно с сопроводительными чертежами, но не ограничиваться ими.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает приемную GNSS антенну над отражающей поверхностью.
Фиг.2a-2c показывает конструкцию известного экрана типа choke ring.
Фиг.3 показывает короткозамкнутый отрезок коаксиального волновода.
Фиг.4a-4b показывает импедансную структуру в виде набора проводящих штырей на плоской проводящей поверхности.
Фиг.5 показывает зависимость импеданса плоской вертикально поляризованной волны от угла падения θ.
Фиг.6a-6b показывает полусферическую импедансную поверхность и ее двумерную модель.
Фиг.7 показывает зависимость поверхностного адмитанса Y(θ) от угла θ.
Фиг.8 показывает диаграммы направленности в передней полусфере и диаграммы отношения D/U для двух вариантов в сравнении с плоским импедансным экраном.
Фиг.9 показывает в разрезе общий вид конструкции предложенной антенной системы с экраном.
Фиг.10a-10d показывают варианты выполнения штырей на поверхности выпуклого экрана.
Фиг.11a-11c показывает варианты размещения антенны на/сверху экране(а).
Фиг.12 показывает экран, у которого меняется длина L штырей в зависимости от угла θ.
Фиг.13a-13c показывает варианты экрана с различной формой выпуклой поверхности.
Фиг.14 показывает вид сверху экрана с точками для крепления рядов штырей.
Описание изобретения
Для оценки способности антенны подавлять отраженный от подстилающей поверхности сигнал мы используем отношение down/up (фиг.1), т.е.
Указанная характеристика D/U(θ) равна отношению уровня диаграммы направленности (ДН) антенны для некоторого угла θ ниже горизонта к тому же самому углу выше горизонта (фиг.1). Отношение в дБ имеет вид DU(θ)(dB)=20logDU(θ).
Общий вид экрана типа choke-ring показан на фиг.2a. Вид в разрезе показан на фиг.2b с импедансной поверхностью, которая показана пунктирной линией. Рассмотрим частотные свойства известного choke-ring экрана. Экран типа choke ring представляет собой набор вертикальных металлических ребер цилиндрической формы 1, расположенных на плоском металлическом диске 2. Каждое ребро гальванически соединено с диском по всему своему периметру. В центральной части экрана устанавливают приемную антенну 3. Структура экрана choke-ring, как известно, составляет так называемую импедансную поверхность, см. R.E.Collin "Field Theory of Guided Waves", Wiley-IEEE Press, 1990. Импедансная поверхность обладает свойством поддерживать постоянным соотношение касательных составляющих полей Е и H независимо от свойств источника этих полей. Известный choke-ring экран имеет зависимость импеданса на вершине углублений, и поверхность импеданса является плоской.
n
Рассмотрим частотную характеристику такого choke ring экрана, показанного на фиг.3. Углубление можно рассмотреть как часть коаксиального волновода, закороченного на заднем конце и открытого на верхнем конце. Доменные стенки углубления имеют радиусы  и  их можно рассматривать как короткозамкнутые отрезки коаксиального волновода (фиг.2b). Здесь R - средний радиус, Δ - расстояние между ребрами, которое считаем одинаковым для всех пар ребер. Будем считать, что n=1 соответствует внутренней паре ребер (фиг.2b): . Обычно число таких коаксиальных волноводов составляет N=3…5.
m
11
n
11
-iφ
Согласно теории волноводов, см. Р.С.Magnusson, G.C.Alexander, V.K.Tripathi, A.Weisshaar "Transmission Lines and Wave Propagation" CRC Press LLC, 2001, в коаксиальном волноводе может существовать дискретный набор собственных волн, каждая из которых характеризуются своим собственным числом χ. Эти числа являются решением соответствующего характеристического уравнения и зависят от внешнего и внутреннего радиусов коаксиального волновода. Распространяться могут только докритические волны, для которых выполняется условие , где λ - длина волны в свободном пространстве. Для приложений GNSS обрабатываем сигнал RHCP. Такой сигнал имеет зависимость азимута в виде e, см. Y.T.Lo, S.W.Lee "Antenna Handbook" v.l, Van Nostrand Reinhold, 1993. Распространяющейся волной коаксиального волновода с наименьшей критической частотой будет волна типа TE. Для радиусов Rпорядка 0.3…1λ и расстояний Δ порядка 0.1λ все остальные собственные волны коаксиального волновода будут закритическими. Соответственно волны типа ТЕ будет вносить основной вклад в работу экрана. Импеданс открытого конца коаксиального волновода (или адмитанс Y) будет равен:
где
,  -
n
n
11
длина волны в волноводе с радиусом R, χ - поперечное волновое число, которое определяется как корень характеристического уравнения для волны H коаксиального волновода. Чтобы выполнить условие (1), длина ребер L должна иметь длину чуть больше, чем четверть наибольшей длины волны .
Здесь W=120π Ом. Глубина углубления выбрана из
0
с самой эффективной характеристикой экрана на резонансной угловой частоте ω, когда
Частотные свойства экрана определяются производной адмитанса по частоте вблизи области значений, где выполняется условие (1). Тогда из выражения (3) следует, что:
0
0
n
1
здесь λ - длина волны в свободном пространстве на резонансной частоте ω,  сохраняется для любого углубления,  является наибольшим для углубления с наименьшим R. Это означает, что первое углубление с радиусом R определяет частотное поведение экрана в большой степени.
x
y
x
y
Чтобы сделать производную (4) меньшей, мы рассматриваем структуру, показанную на фиг.4а. Структура содержит матрицу прямых металлических штырьков длиной L и радиусом a/2, соединенных с металлической плоскостью. Мы предполагаем, что <<T, T, где T, T  являются периодами матрицы.
Детали алгоритма предоставлены в Приложении А.
Мы интересуемся отражением электромагнитной плоской волны от структуры (фиг.4b). Как только коэффициент отражения С известен, эквивалентный поверхностный импеданс структуры вычислен как
Фиг.5 показывает мнимую часть импеданса как функцию падающего угла 9. Пунктиром показана зависимость импеданса вдоль поверхности, отстоящей от идеально-проводящей плоской поверхности на расстояние L для случая, когда штыревая структура отсутствует. Чтобы оценить частотную характеристику структуры, мы отмечаем, что для падающего угла  вектор Е-поля падающей волны перпендикулярен штырькам. Следовательно, никакой электрический ток на штырьках не происходит. Волна отражается металлической плоскостью с импедансом на вершине штырьков, равным
Для скользящего падения волны θ≈0° импеданс (Appendix A)
Частотные свойства вблизи режима холостого хода одинаковы в обоих предельных случаях (6) и (7)
1
0
Видно, что (8) меньше (4). В частности, для типичного значения R=0.25λ производная (8) на 30% меньше по сравнению с (4). Таким образом, такая штыревая импедансная структура обладает более широкополосными свойствами по сравнению с коаксиально-волноводной структурой.
Теперь сравним плоский и выпуклый импедансный экран. Выбираем всенаправленный магнитный ток линии как источник, чтобы выполнить более точные вычисления, мы используем технологию интегральных уравнений с числовыми схемами Galerkine.
Фиг.2с показывает электромагнитную 2-D проблему для плоского случая. Здесь мы показываем импедансную поверхность (толстая пунктирная линия), возбуждаемую всенаправленным источником, помещенным в середине структуры. Интегральное уравнение, которое будет решено,
inc
Здесь f(x) - неизвестная функция, равная тангенциальному распределению компонента Е-поля вдоль поверхности, f(x) - то же самое для источника, G(x, x') - функция Green's, Y(x) - распределение импеданса. В нашем случаем электромагнитное поле значительно подавляется частью импеданса круга. Следовательно, основание - идеально проводящая часть, не затрагивает результат.
Предполагаем, что структура симметрична относительно штрихпунктирной линии (фиг.6b), т.е. Y(θ)=Y(180°-θ). Уравнение, которое будет решено для круглой проблемы,
Детали решения представлены в Приложении В.
0
На фиг.7 показано два случая, в первом случае (отмечен треугольниками) адмитанс является гомогенным вокруг структуры с Im(Y)=0.126/W. Во втором случае адмитанс изменяется вдоль выпуклой поверхности так, что Im(Y) становится немного отрицательным, приближаясь к горизонту.
Обычно с отрицательным Im(Y) обычная структура не работает, в нашем выпуклом случае небольшая поверхностная волна не разрушает D/U, а, скорее, способствует дальнейшему улучшению коэффициента усиления антенны для верхней полусферы. Согласно настоящему изобретению заданные распределения импедансов с законами распределения согласно фиг.7 реализуются с помощью описанной выше штыревой структуры. Длины штырей определяются выражением (6). Различные варианты конструкций выпуклых экранов с импедансной поверхностью в виде штыревой структуры показаны на фиг.10-14.
0
Фиг.8 показывает диаграммы направленности в передней полусфере и диаграммы отношения D/U для двух вариантов в сравнении с плоским импедансным экраном. Размеры структур выбраны 2r=D=2λ, которые являются близкими к практическому случаю. Замечено, что выпуклый экран обеспечивает улучшение на 5 dB для диаграммы направленности антенны для направления горизонт, не затрагивая D/U. С улучшением на 10 dB D/U мог стать немного хуже, что не является критичным, поскольку уменьшение D/U в абсолютном значении замечено для угловых участков с DU(θ)≤-20dB.
Общее представление макета антенны базовой станции показано на фиг.9. Антенна содержит структуру штырьков, распределенную вдоль полусферической металлической несущей конструкции - каркаса. Диаметр сферы составляет 290 мм, но не ограничен этим размером. Антенна включает широкополосный GNSS антенный элемент.
Таким образом, согласно вышеизложенному описанию, предложена конструкция антенной системы с экраном для приема сигналов GNSS. Антенна 30 устанавливается на выносной опоре 40. Опора 40 прикреплена с помощью крепежных элементов 21 к поверхности проводящего экрана 20. Экран 20 представляет собой несущую проводящую поверхность с размещенными на ней проводящими штырями. Несущая поверхность представляет собой выпуклую поверхность предпочтительно сферической формы (эллипсоид вращения, полуэллипсоид) или ее части.
На внешней поверхности экрана 20 с помощью соединительных элементов 11 прикреплено множество рядов отдельных друг от друга проводящих элементов. В качестве таких элементов используются проводящие элементы, поперечный размер которых намного меньше их длины, например штыри, тонкие ребра, зубцы 10. Штыри 10 обладают симметрией вращения, а в меридиональной плоскости их размещение может быть произвольным.
Экран позволяет разместить внутри своего объема дополнительные схемы приема и обработки сигнала, различные датчики (оптические датчики положения и другие), МШУ или навигационный многочастотный приемник 70, например, сигналов GPS/Глонасс/GALILEO/COMPASS. Антенная система, содержащая экран и антенный элемент (приемную антенну), может помещаться в защитный всепогодный антивандальный кожух 50.
На фиг.10a-10d показаны варианты выполнения штырей на поверхности экрана. Штыри имеют различную форму поперечного сечения: цилиндрическую или прямоугольную, квадратную или любую другую. Они выполняются в форме конических элементов фиг.10c, т.е. утолщаются по мере удаления от основания экрана, на котором они закреплены, в форме цилиндрических элементов, имеющих утолщение - шляпку на конце, как показано на фиг.10b. Штыри могут быть выполнены из тонких металлических пластин г-образной формы или т-образной для прикрепления к поверхности экрана, как показано на фиг.10d.
На фиг.11a-11c показаны варианты размещения приемной антенны 30 на экране 20. В одном варианте фиг.11а антенна 30 в защитном кожухе размещена на поддерживающей опоре 40 на определенной высоте над экраном 20. В другом варианте фиг.11b антенна 30 располагается на выступающем элементе экрана 45 на определенной высоте над ним или на фиг.11с устанавливается непосредственно на поверхность экрана 20.
На фиг.12 показана конструкция экрана 20, в которой длина L штырей 10 в каждом ряду уменьшается от меридионального угла θ.
На фиг.13a-13c показаны варианты конструкции проводящего экрана с различной формой поверхности и расположенным на нем набором штырей. Форма поверхности представляет собой, соответственно: полусферу фиг.13a, части поверхности сферы фиг.13b или полную сферу фиг.13c.
На фиг.14 показан вид сверху конструкции несущего экрана 20, имеющего сферическую форму для установки четырех рядов штырей. Позицией 15 обозначены соответствующие посадочные места для крепления штырей, а позицией 30 обозначено место для размещения антенны, например микрополосковой двухдиапазонной антенны.
Мы показали, что разработанная конструкция импедансного экрана на основе штыревой структуры позволяет по сравнению с choke ring экраном заметно расширить ДН при сохранении требуемого отношения характеристики D/U. Также предложенная конструкция имеет меньший вес, проста в изготовлении и настройке и позволяет обеспечить более эффективное использование конструкции для размещения внутри объема экрана различных дополнительных элементов и схем обработки сигнала, схем питания.
Хотя выше были описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что они были представлены только для примера, а не для ограничения. Таким образом, объем изобретения не должен ограничиваться вышеописанными вариантами осуществления.
Приложение А. Численная процедура вычисления импеданса штырьевой структуры.
Рассмотрим падение плоской однородной волны вертикальной поляризации на бесконечную периодическую решетку штырей (рис.3a), расположенных на металлическом экране.
Из граничных условий для касательной составляющей электрического поля на поверхности штыря следует уравнение для электрического тока штыря :
Здесь  - электрическое поле суммы падающей и отраженной от плоского экрана волн, S - поверхность штыря.
а
Уравнение (A2) решалось методом моментов с использованием разложения электрического тока по треугольному базису с носителем 2Δz. Считалось, что азимутальные вариации тока штыря отсутствуют, что справедливо для малых радиусов штыря <<λ.
где
a
Тогда (A2) сводится к системе линейных уравнений с неизвестными I. Элементы матрицы системы линейных уравнений представляют собой взаимные сопротивления:
Здесь электрическое поле токов штыря находилось путем разложения по пространственным гармоникам Флоке :
nm
Коэффициенты A могут быть найдены с помощью леммы Лоренца.
α
После определения коэффициентов I может быть вычислено полное поле и соответственно импеданс.
x
y
Численно было показано, что при расстояниях T и T порядка 0.1λ распределение тока по штырю близко к косинусному, т.е. ток по штырю может быть представлен в виде:
Тогда амплитуда I определяется аналитически, и при θ=90° получается выражение (7).
Приложение В.
Рассмотрим плоскость длиной L c реактивным поверхностным адмитансом Y(x), возбуждаемую сторонним источником в виде нити магнитного тока, расположенной в центре экрана.
0
Здесь  - поверхностная плотность магнитного тока, U - амплитуда в вольтах.
Наличие импедансной границы можно описать с помощью эквивалентного магнитного тока на идеально-проводящем экране:
Тогда граничные условия имеют вид:
y
Представляя поле H в виде интеграла по поверхности экрана:
получаем уравнение (9). Это уравнение решалось численно методом Галеркина, ток  представлялся путем разложения по кусочно-постоянному базису:
где:
Элементы матрицы СЛАУ представляют взаимные проводимости источников (В7), в диагональных элементах упомянутые проводимости суммируются с адмитансом поверхности:
где
Проводимости (B8) вычислялись в приближении бесконечного экрана:
После вычисления распределения магнитного тока  диаграмма направленности вычислялась с помощью выражения:
q
Здесь диаграмма направленности F(x,θ) элементарного источника, расположенного на металлическом экране длиной L, вычислялась в приближении Кирхгофа.
Уравнение (10) для круглой импедансной поверхности получается аналогично. При этом магнитный ток на поверхности цилиндра также представляется разложением по кусочно-постоянному базису:
где
Поле представлялось в виде суммы цилиндрических гармоник:
q
тогда выражения для элементов матрицы СЛАУ и диаграммы точечного источника F(θ) имеют вид:
Диаграмма направленности антенны вычислена как