ШИРОКОПОЛОСНАЯ РУПОРНО-МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА
BROADBAND HORN-MICROSTRIP ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к широкополосным (ШП) рупорно-микрополосковым антеннам СВЧ-диапазона, и может быть использовано в метрологии, в системах связи, в радиодефектоскопии, в мониторинге, в решении задач электромагнитной совместимости.
Известна "Дисковая микрополосковая антенна" (см. А.с. СССР № 1573487, МПК5 H01Q 1/38, опубл. 23.06.90 г., бюл. № 23). Она содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен металлический экран, а на другой - проводящий диск, в котором выполнена щель, штыревой зонд, коаксиальный фидер и шунт с соответствующими подключениями. Антенна обеспечивает формирование изотропной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и уменьшение габаритов в 2-4 раза по сравнению с известными образцами.
Известна также "Малогабаритная антенна" (см. А.с. СССР № 1141482, МПК5 H01Q13/10, опубл. 23.02.1985 г., бюл. № 7). Она содержит две металлические пластины, размещенные параллельно металлическому экрану, одна из них соединена с экраном с помощью шунта, а вторая - с фидером, и ферритовое кольцо. Антенна обеспечивает повышение стабильности формы диаграммы направленности (ДН) в рабочей полосе частот при уменьшении габаритов и сохранении коэффициента усиления.
В качестве основного недостатка названных аналогов следует отметить их недостаточную широкополосность для работы с ШП сигналами современных систем связи (спутниковых систем связи, систем связи с мобильными абонентами), а также большие размеры.
Известна "Широкополосная трехдиапазонная рупорно-микрополосковая антенна" (см. пат. RU № 2345453, МПК H01Q 13/02, опубл. 27.01.2009 г., бюл. № 3). Она содержит рупор, выполненный из металла в форме прямого цилиндра с квадратным сечением, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатор, образованный экраном-рефлектором и металлической пластиной, укрепленной соосно и симметрично на первом шунте в форме круглого прямого цилиндра в центре внутренней стороны экрана-рефлектора, при этом плоскость металлической пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору, и обеспечен надежный механический и электрический контакт, пластина резонатора выполнена в форме равнобедренного треугольника, а вершина равнобедренного треугольника пластины резонатора дополнена симметрично выступающими полосковыми элементами, местоположение и размеры которых определяются значениями заданных рабочих полос частот, вершина равнобедренного треугольника соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии, причем коаксиальная линия подведена к пластине резонатора через боковую стенку рупора перпендикулярно к ней, а внешний проводник линии закреплен на боковой стенке рупора, второй шунт закреплен на пластине резонатора посередине между первым шунтом и вершиной равнобедренного треугольника, а второй конец - на экране рефлектора.
Антенна-аналог обеспечивает эффективный прием и передачу широкополосных сигналов известных стандартов сотовых и транковых систем связи. Кроме того, обеспечивается резкое сокращение массогабаритных характеристик антенны.
В качестве недостатка аналога следует отметить следующее. При работе антенны в различных полосах частот фазовый центр антенны (см. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учебн. для радиотехнич. спец. ВУЗов. - М.: Высш. шк., 1988, стр.197-198; Сверхширокополосные антенны. Пер. с английского С.В.Попова и В.А.Журавлева. - М.: Мир, 1964, стр.377-381) смещается. Это влечет за собой ошибки в оценке пространственных параметров принимаемых сигналов при работе аналога в составе антенной решетки (см. пат. RU №2305851, MПK7 G01S 5/04, опубл. 10.09.2007 г.).
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому устройству является "Ультраширокополосная компактная рупорно-микрополосковая антенна с высокой направленностью" (см. пат. RU №2289873, МПК7 H01Q13/02, опубл. 20.12.2006 г., бюл. № 35).
Устройство-прототип содержит усеченный конический рупор, снабженный плоской стенкой на узкой стороне из металла и представляющий собой экран-рефлектор, резонатор, образованный экраном-рефлектором и круглой пластиной из металла, укрепленной соосно и симметрично на шунте в центре внутренней стороны экрана-рефлектора, а плоскость круглой пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору, и обеспечен надежный механический и электрический контакт круглой пластины с экраном-рефлектором, наконечник, выполненный из металла и имеющий форму усеченного конуса с диаметром основания и высотой, приблизительно равной половине расстояния между круглой пластиной и экраном-рефлектором. Вершина наконечника соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии, а ось симметрии наконечника перпендикулярна плоскости круглой пластины резонатора и проходит через ее край. Питающая коаксиальная линия подведена к экрану-рефлектору перпендикулярно к нему, а внешний проводник линии закреплен на нем с надежным электрическим контактом. Центральный проводник подсоединен к краю круглой пластины резонатора посредством наконечника с надежным электрическим контактом.
ср
Антенна-прототип обеспечивает прием и передачу сигналов в сравнительно широкой полосе частот (при КСВ=2, f=4,5 ГГц, ΔF=0,6 ГГц). Кроме того, стало возможным при сохранении коэффициента усиления антенны уменьшить ее габариты (примерно в три раза сократить толщину рупора) и снизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности.
Антенна-прототип также обладает недостатком. Она непригодна для работы со значительным классом ШП сигналов из-за недостаточной широкополосности. Кроме того, из-за значительных массогабаритных характеристик затруднено ее использование в антенных решетках на подвижных (воздушных) носителях.
Целью заявляемого технического решения является разработка широкополосной компактной антенны, обеспечивающей эффективный прием и передачу известных ШП сигналов в СВЧ-диапазоне.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из рупора, выполненного из металла, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатора, образованного экраном-рефлектором и металлической пластиной, расположенной на диэлектрической подложке и укрепленной соосно и симметрично внутри рупора, при этом плоскость пластины резонатора параллельна экрану рефлектору, и коаксиальной линии, дополнительно рупор выполнен в форме прямого цилиндра с прямоугольным сечением, а металлическая пластина резонатора выполнена содержащей компланарный волновод и П-образную нагрузку, оси симметрии которых совпадают и перпендикулярны двум противолежащим больших размеров боковым стенкам рупора и проходят через их ось симметрии, верхняя часть П-образной нагрузки компланарного волновода пластины резонатора дополнена симметрично выступающими полосковыми элементами, местоположение и размеры которых определяются значением заданной рабочей полосой частот, а компланарный волновод выполнен из прямого токонесущего проводника, местоположение которого совпадает с осью симметрии компланарного волновода, с одной стороны токонесущий проводник электрически соединен с краем П-образной нагрузки в точке, находящейся вблизи центра диэлектрической подложки пластины резонатора, два внешних проводника компланарного волновода, прилегающие с обеих сторон к токонесущему проводнику, имеют симметричную ступенчатую форму, которая определяется значением заданного диапазона рабочей полосы частот, а нижние концы внешних проводников компланарного волновода электрически соединены с боковой стенкой рупора, второй конец токонесущего проводника компланарного волновода металлической пластины резонатора электрически соединен с центральным проводником коаксиальной линии, причем коаксиальная линия подведена к металлической пластине резонатора через боковую стенку рупора перпендикулярно к ней, а внешний проводник коаксиальной линии электрически подключен к боковой стенке рупора.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что исключены шунт и наконечник, а также изменена форма рупора и резонатора, позволяет достичь цели изобретения: разработать эффективную компактную широкополосную антенну.
Технический результат достигается за счет создания антенны, объединяющей положительные качества двух различных типов антенн: микрополосковой антенны и рупора.
Излучатель рупора микрополосковой антенны сконструирован в виде компланарного волновода специальной формы и его П-образной нагрузки с добавлением в верхней части симметрично выступающих полосковых элементов.
ср
ср
cp
np
cp.пp.
Комбинация рупора коробчатого типа в виде прямого цилиндра с прямоугольным сечением (см. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. - М.: Энергия, 1966, стр.509-512) и излучателя названной формы позволяет получить оптимальное распределение электромагнитного поля по апертуре антенны в заданной полосе частот 1,5-2,85 ГГц без сколько-нибудь заметного смещения фазового центра антенны. Предложенная конструкция антенны позволяет при незначительном снижении коэффициента усиления уменьшить габаритные характеристики изделия по толщине до значения 0,26λ. Здесь λ - длина волны для средних частот названного диапазона частот. Кроме того, существенно уменьшены относительные размеры апертуры антенны (в 2,1 раза для средней длины волны используемого диапазона частот). Предлагаемая конструкция антенны позволяет существенно увеличить ширину рабочего диапазона частот, которая при КСВ=2 составляет ΔF=1,35 ГГц, со средней частотой f=2,3 ГГц. В свою очередь у прототипа ΔF=600 МГц, со средней частотой f=4,5 ГГц. В этих условиях выигрыш в широкополосности от использования предлагаемой конструкции антенны в относительных единицах составляет 4,1 раза.
Заявляемая антенна поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 показана полностью собранная антенна в соответствии с заявляемым изобретением;
на фиг.2 иллюстрируется металлическая пластина резонатора в масштабе 1:1;
на фиг.3 приведены габаритные размеры заявляемой антенны;
на фиг.4 приведен график измеренных частотных характеристик заявляемой антенны (зависимость КСВ от используемых частот);
на фиг.5 иллюстрируются измеренные значения входного сопротивления антенны;
на фиг.6 иллюстрируется график измеренных частотных характеристик антенны для уменьшенных габаритов рупора;
на фиг.7 приведены измеренные значения входного сопротивления антенны при использовании уменьшенных габаритов рупора;
на фиг.8 представлены результаты расчета местоположения фазового центра в рабочей полосе частот;
на фиг.9 иллюстрируется распределение поля Е и тока I на металлической пластине резонатора;
на фиг.10 а, б, в приведены диаграммы направленности антенны для частот 1,5 ГГц, 2,2 ГГц и 2,8 ГГц соответственно;
на фиг.11 представлен вариант изготовления антенны со встроенным усилителем.
А
В
На фиг.3 представлены оптимальные размеры антенны, которые были получены на опытном макете и настроенном на заданную полосу частот (1,5-2,85 ГГц при КСВ=3). Площадь раскрыва антенны Д×Д составила 60×140 мм. Площадь заземленного экрана-рефлектора рупора также составила 60×140 мм. Пластина резонатора выполнена в виде совокупности компланарного волновода специальной формы и П-образной нагрузки (см. фиг.2) с дополнительными полосковыми элементами.
Р
ср
с
Все металлические элементы пластины резонатора (см. фиг.2) размещаются на плоскости 50×50 мм. Высота установки пластины резонатора над землей h=35 мм, что составляет 0,4λ. Последняя выбрана экспериментально для обеспечения максимального коэффициента усиления антенны. Высота (или толщина) антенны h с учетом толщины стенки рефлектора 40 мм.
Широкополосная рупорно-микрополосковая антенна (см. фиг.1, 2 и 3) содержит рупор 1, выполненный из металла, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатор 2, образованный экраном-рефлектором и металлической пластиной 3, расположенной на диэлектрической подложке 4 и укрепленной соосно и симметрично внутри рупора 1, при этом плоскость пластины резонатора 3 параллельна экрану-рефлектору, а также коаксиальную линию 5.
Для обеспечения эффективного приема и передачи известных ШП сигналов в СВЧ-диапазоне рупор 1 выполнен в форме прямого цилиндра с прямоугольным сечением. Металлическая пластина резонатора 3 в свою очередь выполнена содержащей П-образную нагрузку 6 и компланарный волновод 7, оси симметрии которых совпадают и перпендикулярны двум противолежащим больших размеров боковым стенкам рупора 1 и проходят через их ось симметрии. Верхняя часть П-образной нагрузки 6 компланарного волновода 7 пластины резонатора 3 дополнена симметрично выступающими полосковыми элементами 6.1 и 6.2, местоположение и размеры которых определяются значением заданной рабочей полосы частот. Компланарный волновод 7 выполнен из прямого токонесущего проводника 7.1 и двух внешних проводников 7.2 и 7.3. Положение токонесущего проводника 7.1 совпадает с осью симметрии компланарного волновода 7. С одной стороны токонесущий проводник 7.1 электрически соединен с краем П-образной нагрузки 6 в точке, находящейся вблизи центра диэлектрической подложки 4 пластины резонатора 2. Два внешних проводника 7.2 и 7.3 компланарного волновода 7, прилегающие с обеих сторон к токонесущему проводнику 7.1, имеют симметричную ступенчатую форму, которая определяется значением заданного диапазона рабочей полосы частот. Нижние концы внешних проводников 7.2 и 7.3 компланарного волновода 7 электрически соединены с боковой стенкой рупора 1. Второй конец токонесущего проводника 7.1 компланарного волновода 7 металлической пластины резонатора 3 электрически соединен с центральным проводником коаксиальной линии 5. Коаксиальная линия 5 подведена к металлической пластине 3 резонатора 2 через боковую стенку рупора 1 перпендикулярно к ней. Внешний проводник коаксиальной линии 5 электрически подключен к боковой стенке рупора 1.
Широкополосная рупорно-микрополосковая антенна работает следующим образом. Заявляемая антенна (см. фиг.1, 2 и 3) состоит из двух основных частей: рупора 1 и резонатора 2, представляющего собой микрополосковую антенну 3 специальной формы и запитанную особым способом - непосредственно через боковую стенку рупора 1 с использованием компланарного волновода 7. В задачу последнего входит улучшение степени настройки антенны (П-образной нагрузки 6) в заданной полосе рабочих частот (см. Проектирование полосковых устройств СВЧ. Учебное пособие. - Ульяновск: Ульяновский государственный технологический университет, 2001. - 123 с.). Известно (см. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учебн. для радиотехнич. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1988, стр.262-265), что плоские структуры, определяемые угловыми размерами, могут одновременно трактоваться и как электрические (вибраторные), и как магнитные (щелевые) излучающие системы. В соответствии с принципом перестановочной двойственности (принципом дополнительности) предлагаемая антенна может рассматриваться как вертикальный плоский несимметричный вибратор с вынесенной точкой питания и верхней нагрузкой. С другой стороны, будучи помещенной в объемный резонатор 2 и связанной с ним токами смещения со всех сторон, она представляет собой микрополосковую антенну, питаемую компланарным волноводом 7.
Микрополосковые излучатели относятся к резонансным антеннам. В предлагаемой антенне микрополосковый излучатель 3 объемного резонатора 2 ограничен размерами рупора 1. Необходимые для передачи электрические сигналы поступают на заявляемую антенну от коаксиального кабеля 5 через компланарный волновод 7. Возбуждение резонатора 2 начинается на участках А и В токонесущего проводника 7.1 компланарного волновода 7.
Возбужденная электромагнитная волна между пластиной 3 резонатора 2 и заземленным экраном-рефлектором 1 формирует на апертуре заявляемой антенны сходное с устройством-прототипом распределение электрического и магнитного полей.
Физические процессы в предлагаемом устройстве могут одновременно рассматриваться по аналогии с плоской вибраторной антенной (см. Кочержевский Г.Н., Еврохин Г.А., Козырев Д.Н. Антенно-фидерные устройства. -М.: Радиосвязь, 1989, стр.147-148). В этом случае плоский вибратор П-образного типа (аналог U-образного) представляет собой отрезок однородной линии, у которой погонная емкость и волновое сопротивление постоянны по длине, что обеспечивает согласование в диапазоне частот на основе принципа самодополнительности. Для уменьшения коэффициента стоячей волны в коаксиально-полосковом переходе 5 -7.1 может быть использован его аксиальный вариант (см. Конструирование и расчет полосковых устройств. Учебн. пособие для ВУЗ. Под ред. И. С.Ковалева. - М.: Сов. радио, 1974, стр.176-179).
Настройка характеристик антенны в нижней части диапазона частот осуществляется с помощью изменения размеров полосковых элементов 6.1 и 6.2. (см. фиг.2). Следует отметить, что изменять размеры и конфигурацию элементов 6.1 и 6.2 можно в определенных пределах из-за взаимного влияния элементов антенны.
Настройка антенны на средних и высоких частотах рабочего диапазона осуществляется варьированием размеров ступенчатых выступов внешних проводников 7.2 и 7.3 компланарного волновода 7. Следует отметить, что нижние ступеньки элементов 7.2 и 7.3 в этом процессе не используются.
На фиг.4 и 5 приведены результаты измеренных частотных характеристик заявляемой антенны (коэффициента стоячей волны) и входного сопротивления в полосе частот 1,4-2,9 ГГц. Последние свидетельствуют о том, что во всей полосе частот от 1,45 до 2,85 ГГц КСВ не хуже 3, а в полосе от 1,5 до 2,85 ГГц (ΔF=1,35 ГГц) КСВ не хуже 2. Входное сопротивление антенны в основном укладывается в круг равного КБВ 0,5 и имеет многорезонансный характер.
Исследовано влияние размеров рупора 1 на характеристики предлагаемой антенны. Последние показали, что дальнейшее уменьшение габаритов коробчатого рупора 1 приводят к ухудшению характеристик антенны. На фиг.6 и 7 приведены результаты измерений КСВ и входного сопротивления заявляемой антенны при размещении последней в рупоре меньших размеров: 115×60×35 мм. Из рассмотрения фиг.6 следует, что в полосе частот от 1,5 до 2,9 ГГц КСВ не хуже 3, что совпадает с результатом базового варианта антенны. Однако КСВ=2 обеспечивается лишь в полосе частот от 2 до 2,8 ГГц (ΔF=0,8 ГГц). При этом входное сопротивление антенны также укладывается в круг равного КБВ 0,5 и имеет многорезонансный характер.
С помощью программы CST VICROWAVE STUDIO //www.cst.com выполнен расчет местоположения фазового центра предлагаемой антенны в рассматриваемом диапазоне частот (см. фиг.8а и 8б) и диаграммы направленности антенны на частотах 1,5 ГГц, 2,2 ГГц и 2,8 ГГц (см. фиг.10а, б, в).
Результаты расчетов местоположения фазового центра заявляемой антенны свидетельствуют о том, что в середине диапазона рабочих частот он находится на металлической пластине резонатора 3 на ее оси симметрии, приподнят относительно точки запитки компланарного волновода 7 на 28 мм (см. фиг.8а, б). Смещение фазового центра антенны в полосе рабочих частот осуществляется только в плоскости {Y, Z}, X=0. Максимальные отклонения фазового центра от исходного состояния {Y=0, Z=28 мм} соответственно составляют Ymax=10 мм, Zmax=4 мм. Таким образом, максимальный сдвиг фазового центра в плоскости раскрыва антенны составляет 4 мм, что удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям при работе в составе антенных решеток различного назначения.
C
п
На фиг.9 приведены результаты расчета распределения магнитных токов I, которые протекают в компланарном волноводе 7 и П-образной нагрузке 6. Из него следует, что главную роль в формировании излучаемого поля играют равномерно распределенные синфазные токи I, создающие линейно-поляризованное излучение с напряженностью электрического поля Е. Токи I находятся в противофазе, а их излучения в значительной степени взаимно компенсируются. Следует отметить, что составляющая электрического поля Е в поперечном сечении плоскости антенны (вдоль координаты Y) между пластиной 3 и экраном-резонатором рупора 1 распределена почти равномерно, а в продольном (вдоль оси X) - по синусоидальному закону, с пучностями на краях металлической пластины 3. Заметные отклонения от сказанного наблюдаются вблизи углов металлической пластины и в окрестностях точки питания.
На фиг.10 а, б, в приведены расчетные значения диаграмм направленности заявляемой антенны, полученные в результате сечения последних плоскостями {X, Y} и {Y, Z}. Полученные результаты хорошо согласуются с измеренными значениями. Диаграмма направленности заявляемой антенны во всей полосе частот имеет сферическую форму без заметных искажений. Коэффициент усиления антенны для частот 1,5 ГГц, 2,2 ГГц и 2,8 ГГц составил соответственно 7, 8 и 9 dBi. На частотах свыше 3 ГГц начинается постепенный развал ДН.
В ряде практических случаев представляет практический интерес возможность компенсировать потери в коаксиальной линии 5. С этой целью компланарный волновод 7 может быть заменен на заземленный пьедестал аналогичной ступенчатой формы (см. фиг.11). В данном случае на плоскости пьедестала размещается встроенный усилитель, обеспечивающий коэффициент усиления 14 dBi. В качестве последнего может быть использован усилитель типа MGA-81563 фирмы AVAGO Technologies (см. www.avagotech. com).
r
-4
-3
Все детали антенны согласно настоящему изобретению имеют простую форму и сделаны из однородного и однотипного токопроводящего материала. Это позволяет реализовать изготовление их в массовом производстве легко и дешево, используя прессовку или пластмассовое литье с последующим покрытием. В качестве диэлектрического основания 4 могут быть использованы диэлектрики с параметрами: ∈≈2,5-10 и tgδ≈10-10. Толщина пластины 4 может составлять (0,1-0,01)λ.