МНОГОДИАПАЗОННАЯ КОМПАКТНАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА
MULTI-BAND COMPACT MICROSTRIP ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, в частности, к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны для радиолокации на малых самолетах и беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) для получения повышенных характеристик по глубине проникновения и разрешающей способности.
Для решения задач радиолокации необходимо использовать несколько частотных диапазонов, для каждого из которых требуется оптимальная антенна. При таком подходе возникает вопрос о размещении антенн. При размещении классическим образом, рядом друг с другом, набор антенн занимает слишком большое количество места, что делает системы, использующие данные антенны, неприменимыми на малогабаритных летательных аппаратах и БПЛА, где необходимы максимально низкие массогабаритные характеристики. Размещение антенн на различные частотные диапазоны друг над другом таким образом, что антенны на более высокие частотные диапазоны расположены над антеннами на более низкие частотные диапазоны позволяет минимизировать массогабаритные характеристики. Причем каждая упомянутая антенна служит земляной плоскостью для антенны над ней.
Известны, с точки зрения наименьших массогабаритных характеристик, микрополосковые антенны, обладающие максимальным усилением при минимальных размерах. Микрополосковые антенны и методы их расчета хорошо исследованы сегодня и широко описаны в специализированной литературе /1/ /2/.
Известна «МНОГОДИАПАЗОННАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА» /3/. Данная антенна представляет собой набор печатных излучателей, закрепленных друг над другом, параллельно металлическому экрану, таким образом, что каждый последующий излучатель использует в качестве экрана предыдущий, что возможно благодаря использованию различных непересекающихся частотных диапазонов. Возбуждение производится экранированными коаксиальными кабелями, что создается высокую развязка между частотными каналами. Недостатком данной антенны является узкополосный способ возбуждения и высокая технологическая сложность.
Известна "МНОГОДИАПАЗОННАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА ЭТАЖЕРОЧНОГО ТИПА", которая является наиболее близкой по своей технической сущности к заявляемому устройству /4/. Устройство-прототип состоит из четырех антенных элементов, расположенных друг над другом в порядке возрастания резонансной частоты, каждый из которых включает в себя печатный проводник и диэлектрическую подложку, разделительной платы, двух штырей, двух высокочастотных соединителей, высокочастотного коаксиального кабеля, проводящего экрана и передающей линии. Существенными недостатками прототипа является «штыревой» узкополосный способ возбуждения и использование диэлектрических подложек нестандартизированных размеров. Также недостатком является использование разделительной платы и штырей, что увеличивает технологическую сложность устройства-прототипа.
Задачей, которую решает настоящее изобретение, является улучшение электромагнитных характеристик с сохранением разрешающей способности и глубины проникновения, и уменьшение технологической сложности, с минимизацией массогабаритных характеристик.
Это достигается за счет создания многодиапазонной компактной микрополосковой антенны с индуктивной схемой возбуждения, состоящей из трех антенных элементов, представляющих собой печатный излучатель, диэлектрическую подложку и вспомогательный печатный элемент, при этом первый, второй и третий антенные элементы включают в себя один, четыре и шестнадцать печатных излучателей соответственно, и диэлектрические подложки стандартизированных размеров, закрепленные с воздушным зазором между ними, а сами печатные излучатели возбуждаются индуктивным образом, при помощи вспомогательных печатных элементов, расположенных рядом с основными излучателями, что обеспечивает большую широкополосность, нескольких высокочастотных коаксиальных кабелей, проводящего экрана-рефлектора, при этом каждый из антенных элементов расположен параллельно экрану-рефлектору друг над другом в порядке возрастания резонансной частоты, а первый и второй печатные элементы являются экранами-рефлекторами для второго и третьего соответственно, а подводящие коаксиальные кабели для второго и третьего элементов электрически соединены внешним проводником с первым и вторым печатными излучателями соответственно.
Создание антенны, состоящей из нескольких печатных элементов, расположенных друг над другом, работающей в нескольких диапазонах частот позволяет решить поставленную задачу. Конструкция заявляемого устройства имеет меньшую технологическую сложность, улучшенные электромагнитные характеристики и минимальные массогабаритные параметры, по сравнению с устройством-прототипом, что достигается благодаря усовершенствованиям, перечисленным ниже. Во-первых, каждый печатный излучатель возбуждается индуктивным способом, при помощи небольшого печатного элемента, расположенного в непосредственном близости с печатным излучателем, в отличие «штыревого» в устройстве-прототипе, что позволяет увеличить рабочий диапазон частот. Во-вторых, излучатели изготовлены на подложке стандартизированных размеров, что понижает технологическую сложность производства и стоимость конечного устройства. В-третьих, использование стандартизированных подложек приводит к необходимости отдалять антенные элементы друг от друга, следствием чего является воздушная прослойка между элементами, а соответственно понижается масса конечного устройства, при сохранении габаритных размеров.
Возможность расположения антенных элементов друг над другом появляется благодаря работе в непересекающихся частотных диапазонах. В данном случае в качестве экрана-рефлектора для антенного элемента более высокого частотного диапазона может выступать печатный излучатель более низкого диапазона частот. Возбуждение печатных излучателей происходит по индуктивной схеме, то есть подводящий коаксиальный кабель электрически соединен центральным проводником с небольшим круглым печатным элементом рядом с печатным излучателем, а внешний проводник электрически соединен либо с земляной плоскостью в случае первого антенного элемента, либо с предыдущим печатным излучателем, находящимся под вышестоящего уровня печатным излучателем, в случае второго и третьего антенных элементов.
Для одновременного решения задачи по глубине проникновения и разрешающей способности антенные элементы имеют различное количество печатных излучателей в составе. Печатный излучатель антенного элемента нижнего уровня имеет самые большие размеры из-за наименьшей рабочей частоты. Печатные излучатели следующих антенных элементов имеют меньший размер, что позволяет использовать несколько печатных излучателей в антенном элементе. Увеличение числа печатных излучателей улучшает характеристики антенны: увеличивается усиление антенны, уменьшается ширина луча, за счет чего улучшается разрешающая способность.
Общий вид и состав заявляемого изобретения поясняется с помощью графических материалов. На фиг. 1 представлено схематичное изображение микрополосковой антенны, где:
1. Диэлектрическая подложка,
2. Печатные излучатели,
3. Вспомогательные печатные элементы, расположенные рядом с печатными излучателями, использующиеся для возбуждения печатных излучателей,
4. Подводящие коаксиальные кабели,
5. Проводящий экран-рефлектор.
На фиг. 2 схематично представлен вид сверху первого антенного элемента, где:
1. Диэлектрическая подложка,
2. Печатный излучатель,
3. Вспомогательный печатный элемент, расположенный рядом с печатным излучателем, использующийся для возбуждения печатного излучателя.
На фиг. 3 схематично представлен вид сверху второго антенного элемента, где:
1. Диэлектрическая подложка.
2. Четыре печатных излучателя,
3. Вспомогательные печатные элементы, расположенные рядом с печатными излучателями, использующиеся для возбуждения печатных излучателей.
На фиг. 4 схематично представлен вид сверху третьего антенного элемента, где:
1. Диэлектрическая подложка.
2. Шестнадцать печатных излучателей,
3. Вспомогательные печатные элементы, расположенные рядом с печатными излучателями, использующиеся для возбуждения печатных излучателей.
Принцип работы заявляемого изобретения заключается в том, что на входы антенных элементов изобретения поступают сигналы различных диапазонов частот, причем на вход первого антенного элемента поступает сигнал нижнего диапазона частот, на вход второго антенного элемента - сигнал среднего диапазона частот, на вход третьего антенного элемента поступает сигнал верхнего диапазона частот. При помощи подводящих коаксиальных кабелей 4 сигнал попадает на соответствующие вспомогательные печатные элементы 3, электрически соединенные с подводящими коаксиальными кабелями. Вспомогательные печатные элементы 3 индуктивным образом возбуждают печатные излучатели 2, находящиеся на диэлектрических подложках стандартизированного размера 1. Печатные излучатели 2 излучают поступившие на входы сигналы в пространство, при этом проводящий экран-рефлектор 5 отражает излученный первым антенным элементом сигнал, производя диаграммообразование для первого антенного элемента. В качестве экранов-рефлекторов для второго и третьего антенных элементов выступают печатные излучатели 2 первого и второго антенных элементов соответственно, которые выполняют аналогичную экрану-рефлектору 5 функцию диаграммообразования для второго и третьего антенных элементов.
В качестве примера приведена трехдиапазонная компактная микрополосковая антенна Р-, L- и S-диапазонов частот. Антенный элемент верхнего уровня имеет S-диапазон. Размер печатного излучателя 23 мм, диаметр возбуждающего элемента 2,6 мм, межэлементное расстояние равно 66 мм, расстояние от возбуждающего элемента до печатного излучателя равно 3,2 мм, всего шестнадцать печатных излучателей в составе верхнего антенного элемента, расстояние до антенного элемента следующего уровня равно 10 мм. Рабочая полоса частот равна 340 МГц по уровню 2 КСВН, коэффициент усиления равен 21,3 дБи, ширина диаграммы направленности (ДН) основного лепестка по уровню половинной мощности равна 14° в Е-плоскости и 15,1° в Н-плоскости. Антенный элемент среднего уровня имеет L-диапазон. Размер печатного излучателя 120 мм, диаметр возбуждающего элемента 14 мм, межэлементное расстояние равно 140 мм, расстояние от возбуждающего элемента до печатного излучателя равно 1 мм, всего четыре печатных излучателя в составе среднего антенного элемента, расстояние до антенного элемента следующего уровня равно 16 мм. Рабочая полоса частот равна 240 МГц по уровню 2 КСВН, коэффициент усиления равен 12,5 дБи, ширина диаграммы направленности (ДН) основного лепестка по уровню половинной мощности равна 37,3° в Е-плоскости и 47° в Н-плоскости. Антенный элемент нижнего уровня имеет Р-диапазон. Размер печатного излучателя 415 мм, диаметр возбуждающего элемента 62 мм, расстояние от возбуждающего элемента до печатного излучателя равно 1 мм, всего один печатный излучатель в составе нижнего антенного элемента, расстояние до экрана-рефлектора равно 51 мм. Рабочая полоса частот равна 40 МГц по уровню 2 КСВН, коэффициент усиления равен 7,3 дБи, ширина диаграммы направленности (ДН) основного лепестка по уровню половинной мощности равна 77,6° в Е-плоскости и 69,3° в Н-плоскости. Общий габарит антенны (Ш×Д×В) равен 600×600×80, масса равна 2 кг. В качестве подложки использовался стеклотекстолит FR-4 толщиной 1 мм, в качестве токопроводящего материала использовалась медь, толщина металлизации 18 мкм.
Максимальный эффект от данного изобретения с учетом глубины проникновения на нижней частоте, достаточно хорошей разрешающей способности и проникающей способности сквозь листву на средней частоте, а также высокой степени разрешающей способности на верхней частоте можно получить с использованием БПЛА для обнаружения разрывов газо- и нефтепроводов, разливов и нелегальных врезок в них.
Все элементы антенны согласно настоящему изобретению имеют простую форму и сделаны из однородного и однотипного токопроводящего материала, что позволяет реализовать изготовление их в массовом производстве легко и дешево.
Источники информации:
1 - P. Bhartia, Inder Bahl, R. Garg и A. Ittipiboon, "Microstrip Antenna Design Handbook (ARTECH HOUSE ANTENNAS AND PROPAGATION LIBRARY)", Artech House Publishers, 01 November, 2000.
2 - Панченко Б.А., Нефедов Е.И., "Микрополосковые антенны" (Радио и Связь), 1986.
3 - Патент СССР №1334228.
4 - Патент РФ №2315398 - прототип.