АНТЕННЫЙ БЛОК ДЛЯ ГЛОБАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ (GNSS)
ANTENNA ASSEMBLY FOR GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM (GNSS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к антеннами и, в частности, к микрополосковым антеннам, уменьшающим эффект многолучевого приема.
Микрополосковые антенны обычно характеризуются плоским элементом излучения, размещенным в непосредственной близости от экранирующей плоскости (экрана), и используются для различных целей. Такие микрополосковые антенны получили широкое распространение в силу их относительно небольшого размера и относительно низкой стоимости изготовления по сравнению с другими типами антенн.
Уровень техники
Существующие в настоящее время микрополосковые антенны (МПА) для использования в глобальной системе навигации и определения положения (GPS) или GNSS системах обычно устанавливают на экран размером ≥λ длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной. Экран предназначен для уменьшения уровня отраженного от земли сигнала. Для обеспечения работы в широкой полосе частот необходимо увеличивать высоту излучающей пластинки над экраном, что в итоге приводит к увеличению общих размеров антенны.
Так, на фиг.1 показана конструкция известной однодиапазонной МПА.
На фиг.2 показана конструкция известной многоярусной МПА, в которой высота излучающей пластинки ВЧ диапазона над экраном составляет 34 мм при длине экрана, равной 280 мм.
Известные микрополосковые антенны состоят из экранирующей плоскости (экран) 101, 201 элемента излучения (пластина) 102, 202, проводящего зонда питания 103, 203 и диэлектрика (не показан), который расположен вокруг краев пластины, чтобы отделить излучающую пластину 102, 202 от экранирующей плоскости 101, 201. Линия питания 103, 203, например, радиочастотная (RF) линия передачи, типа фидера или коаксиального кабеля связана с излучающей пластиной 102, 202, по которому сигналы RF передают к излучающей пластине 102, 202.
Так, известно, что резонансный размер пластинки МПА определяется длиной волны, распространяемой в пространстве между излучающей пластинкой 102, 202, 204 и экраном 101, 201, и составляет приблизительно половину длины волны в упомянутом пространстве. Для расширения диаграммы направленности (ДН) пространство между излучающей пластинкой 102, 202, 204 и экраном 101, 201 заполняют диэлектриком или применяют замедляющие структуры, что приводит к уменьшению длины волны в упомянутом пространстве и к уменьшению длины пластинки и расширению ДН. Полоса частот МПА определяется высотой пластинки над экраном. Для обеспечения требуемой полосы частот порядка 12% и более от центральной частоты диапазона упомянутая высота составляет порядка 0.1-0.15 длины волны в свободном пространстве.
Однако недостатком таких известных широкополосных и многоярусных МПА является увеличение интенсивности излучения в заднюю полусферу и, как следствие, нежелательное возрастание эффекта многолучевого приема при увеличении высоты излучающей пластинки над экраном. Указанный недостаток особенно остро проявляется при длинах экранов длиной порядка 1.5 длины волны в свободном пространстве. Для численной характеристики способности антенны подавлять отраженный от подстилающей поверхности сигнал на практике широко применяют отношение . Указанная характеристика D/U(θ) равна отношению уровня ДН в задней полусфере под каким-либо углом к уровню ДН в передней полусфере под зеркальным углом.
Также известен патент США 6049309 корпорации Magellan, раскрывающий микрополосковую антенну включающую: диэлектрическое основание 305; излучающий элемент 302 пластины, расположенный сверху диэлектрического основания 305; экран 301, связанный с диэлектрическим основанием 305, причем упомянутый экран 301 содержит экранирующее строение 304, которое располагается выше диэлектрического основания 305, упомянутое экранирующее строение 304 физически соединено с диэлектрическим основанием 305, но физически не входит в контакт с излучающей пластиной 302; линия питания 303 соединена с излучающей пластиной 302; и короткий соединитель, соединяющий излучающую пластину 302 и экран 301.
В известном решении на краях экрана используется часть элемента экрана 304 (в виде вертикальных бортов), которая расположена выше диэлектрического основания 305. Эти элементы экрана 304 предпочтительно сформированы около края диэлектрического основания 305. В одном варианте конструкции части элемента экрана 304 включают проводящие сквозные отверстия, размещенные около края диэлектрического основания 305 и расположенные друг от друга на определенное расстояние, которое существенно меньше, чем длина волны. Таким образом, авторы полагают, что многолучевое излучение, исходящее ниже горизонта, будет в действительности отфильтровано такой структурой элементов экрана 304.
Однако недостатком указанного решения является неэффективная работа в случае широкополосного излучателя при размерах экрана порядка 1..1.5 длины волны, т.к. для обеспечения широкополосности необходимо увеличивать высоту излучателя над экраном, что в свою очередь приводит к ухудшению характеристики D/U/(θ). Также такое решение имеет достаточно сложную конструкцию.
Поэтому существует потребность в преодолении этих проблем, в частности, в создании такой конструкции антенного блока с МПА, имеющего размер экрана порядка 1…1.5 длины волны, которая позволит обеспечить широкую полосу частот и, вместе с тем, повысить эффективность характеристики D/U/(θ). А также обеспечить компактные размеры антенны без увеличения общего размера антенного блока и возможность установки в корпус антенного блока приемника или передатчика заданного размера.
Краткое изложение сущности изобретения
Согласно настоящему изобретению предложена МПА антенна в составе антенного блока, позволяющая уменьшить высоту излучающей пластинки над экраном, т.е. общую высоту антенного блока, и в то же время повысить эффективность характеристики down/up многолучевого приема сигналов и обеспечить требуемую широкополосность.
Так, предложена антенная система, содержащая: корпус антенного блока с экраном, излучающую пластинку, расположенную над упомянутым экраном и пространственно отделенные друг от друга, причем экран имеет размеры от 1 до 1.5 длины волн и выполнен с полостью в виде углубления, в котором расположена излучающая пластинка, так чтобы высота излучающей пластинки над верхним краем экрана составляла порядка до 0.05λ длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной.
Также предложена двухдиапазонная микрополосковая антенна, содержащая соосно расположенные друг над другом в одной плоскости нижнюю излучающую пластину, верхнюю излучающую пластину и экран, причем экран имеет размеры от 1 до 1.5 длины волн и выполнен с полостью в виде углубления, в котором расположены указанная нижняя и верхняя излучающие пластинки, так чтобы высота верхней излучающей пластинки над верхним краем экрана составляла не более чем 0.05λ длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной. Диаметр или размер полости углубления D предложено выбирать исходя из условия ,
p
где l-длина излучающей пластинки. В соответствии с другим вариантом конструкции излучающая пластинка расположена в углублении экрана так, чтобы по существу располагаться наравне с верхним краем углубления экрана.
В соответствии с вариантом конструкция МПА выполнена как МПА линейной поляризации или круговой поляризации.
В соответствии с вышеуказанными вариантами конструкции пространство между экраном и излучателем может быть заполнено диэлектриком или имеет замедляющую структуру для обеспечения замедления распространения волны в виде множества проводящих металлических ребер или штырьков, имеющих определенную площадь поперечного сечения (поверхностный размер), расположенных на, по крайней мере, упомянутой излучающей пластине и/или упомянутом экране, причем упомянутые металлические ребра или штырьки электрически связаны, по крайней мере, с излучающей пластиной и/или экраном. Металлические ребра или штырьки имеют длину намного меньше (порядка <0.1λ), чем длина волны λ сигнала, который будет передан или получен антенной. Расстояние между каждым металлическим ребром или штырьком также намного меньше (порядка <0.1λ).
В соответствии с другим вариантом конструкции первая часть металлических ребер или штырьков расположена на упомянутой излучающей пластине, а вторая часть металлических ребер или штырьков расположена на упомянутом экране.
Эти и другие аспекты, конструктивные особенности и преимущества заявленного изобретения станут очевидными из следующего детального описания предпочтительных вариантов конструкции, которое должно читаться совместно с сопроводительными чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана конструкция известной однодиапазонной МПА.
На фиг.2 показана конструкция известной многоярусной МПА, в которой высота Н верхней излучающей пластинки над экраном составляет 34 мм при длине экрана, равной 280 мм.
На фиг.3 показана конструкция известной МПА с уменьшением эффекта многолучевого приема сигнала.
Фиг.4-5 показывают модель МПА в виде нити магнитного тока, расположенной на высоте H над экраном длиной L.
Фиг.6-7 показывают появление провала в передней полусфере ДН и увеличение отношения D/U.
Фиг.8 показывает отношение D/U (90) для направления, перпендикулярного к плоскости экрана при изменении длины экрана L для разных высот H.
Фиг.9-10 показывают ДН и отношение D/U согласно известной фиг.2 конструкции многоярусной МПА и предложенному варианту изобретения фиг.12.
На фиг.11-11а показана конструкция МПА согласно предложенным вариантам изобретения.
На фиг.12 показана конструкция многоярусной МПА согласно предложенному варианту изобретения.
На фиг.13 показан вариант конструкции многоярусной МПА с замедляющей структурой и указанием соответствующих габаритных размеров в мм.
Подробное описание изобретения
Так, известно, что полоса частот МПА определяется высотой пластинки над экраном H и чтобы обеспечить широкополосную работу МПА, высоту H необходимо увеличивать. Чтобы обеспечить полосу частот порядка 12% и более от центральной частоты диапазона, излучающая пластинка оказывается расположенной над экраном на высоте порядка 0.1…0.15λ, где λ - длина волны в свободном пространстве. Для размеров экрана L=1…1.5λ увеличение высоты излучающей пластинки над экраном свыше 0.05λ вызывает нежелательное увеличение уровня ДН в задней полусфере, а также, начиная с некоторой высоты H, приводит к возникновению провала ДН в передней полусфере. Это приводит к дальнейшему ухудшению отношения D/U(θ), причем, чем ближе длина L к 1.5λ, тем меньше H, что накладывает дополнительные ограничения на частотные свойства МПА.
Для преодоления этих недостатков и решения указанной технической задачи рассмотрим характеристики направленности МПА, расположенной на некоторой высоте над экраном. Их можно анализировать в предположении, что поле излучения формируется щелями, которая образованы концами пластинки и экраном. В первом приближении можно положить, что резонансный размер излучающей пластинки достаточно мал, причем это справедливо для широконаправленных антенн с диэлектрической подложкой с высоким значением диэлектрической проницаемости или подложкой из искусственного диэлектрика с высоким коэффициентом замедления магнитного тока (фиг.1), расположенной в центре экрана на высоте H над экраном длиной L.
В приближениях физической оптики поле такой системы можно записать как:
е
где первое слагаемое  - поле нитевидного магнитного тока  в свободном пространстве, второе слагаемое  - поле электрического тока , которое описывает влияние экрана, Е - поле элементарного электрического источника, причем ток  полагается равным току, который наводится полем источника  на бесконечном экране:
где  - функция Ханкеля второго рода порядка 0, W=120π - волновое сопротивление свободного пространства, U - напряжение на щели, которая описывается нитью магнитного тока,  - волновое число, x - координаты расположения точки наблюдения.
Тогда ДН такой системы:
Чтобы система эффективно излучала вверх (фиг.2), надо, чтобы поля, которые создаются источниками  и каждым элементом тока  складывались в фазе.
m
e
Фаза наведенного электрического тока при значениях  меняется приблизительно как - . (Здесь использована асимптотика для функции Ханкеля (x).) Тогда разность фаз между полем j и полем элементов j(x), удаленных от начала координат на  можно приблизительно оценить как:
Как видно из (4), увеличение высоты H приводит к нежелательному увеличению разности фаз между полями магнитного тока и элементами тока экрана, что приводит к их неоптимальному сложению и, как следствие, к ухудшению отношения D/U.
Однако так как x меняется от -  до , то из (4) следует, что, начиная с некоторой длины L, на экране появятся участки тока , которые будут давать поле, противофазное полю . Появление таких участков приводит к появлению провала в передней полусфере и дальнейшему нежелательному ухудшению отношения «низ/верх».
Когда H мало, то такие участки появляются, начиная с , а при увеличении высоты H противофазные участки тока появляются при меньшей длине экрана.
Появление провала в передней полусфере ДН и увеличение отношения D/U показано на графиках фиг.6-7.
На фиг.8 показано отношение D/U/(90) для направления, перпендикулярного к плоскости экрана при изменении длины экрана L для разных высот H. Значения L и H приведены в длинах волн.
1
1
Согласно настоящему изобретению предложен антенный блок с МПА, в котором для обеспечения широкополосной работы излучателя предлагается использовать корпус 1105 антенного блока с экраном 1101, где имеется полость с углублением 1103 соответствующей глубины h. В указанное углубление 1103 помещена излучающая пластинка 1102, так чтобы высота H излучающей пластинки 1102 над верхним краем экрана 1101 не превышала 0.05λ длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной. В такой конструкции частотные свойства, в основном, определяются высотой H, а диаграмма направленности высотой H и длиной экрана L.
При подаче ВЧ сигнала на вход антенны в ней возбуждаются ВЧ колебания определенного типа, а излучение осуществляется из кромок антенны. Так, электромагнитные сигналы подведены (выведены от) к излучающей пластинке 1102 через проводник 1104 из ВЧ коаксиального кабеля, заставляют индуцировать электрические токи на пластине 1102 и на экранирующей плоскости 1101 и поляризационные токи, которые будут индуцированы в диэлектрическом основании (как вариант, он не показан), которые в свою очередь излучаются в виде электромагнитной волны в свободное пространство. Место соединения ВЧ кабеля с антенными элементами выбривается из критерия их оптимального согласования по импедансам.
1
1
Такая конструкция позволяет обеспечить низкую высоту излучающей пластинки над экраном H и при этом сохранить высоту H излучающей пластинки над экраном полости, достаточной для поддержания требуемой полосы частот. Таким образом, проведенные эксперименты показали, что погружение антенны в полость экрана с высотой излучающей пластинки над верхним краем экрана H порядка до 0.05λ позволяет существенно уменьшить уровень излучения антенны в заднюю полусферу и обеспечить при этом широкополосную работу МПА.
1
Как вариант изобретения, погружение излучающей пластинки в корпус антенного блока может быть на одном уровне с экраном, т.е H=0.
Также проведенные эксперименты показали, что диаметр полости D влияет на частотные свойства антенны и его предлагается выбирать из условия, чтобы, с одной стороны, полоса частот изменилась несущественно, а с другой стороны, поддержать хорошее отношение «верх/низ». Предложено выбирать ,
p
eff
p
где l - длина излучающей пластинки. Причем  где ε - эффективная диэлектрическая проницаемость подложки, и обычно l≤0.5λ.
Для работы МПА в режиме круговой поляризации возбуждают поле двух ортогонально ориентированных в пространстве линейных поляризаций посредством, например, двух штырей.
На фигурах 9-10 показаны экспериментальные ДН многоярусной антенны на плоском экране и экране с полостью для случая, когда возбуждается верхний излучатель, причем видно, что предложенная конструкция экрана с полостью убирает провал ДН в передней полусфере и обеспечивает значительно лучшее отношение D/U.
1
Согласно настоящему изобретению также предложена двухчастотная многоярусная система, в которой на излучающей пластинке НЧ диапазона 1202 располагают излучатель для другого ВЧ диапазона 1205, таким образом, излучающая пластинка НЧ диапазона 1202 является экраном для излучающей пластинки ВЧ диапазона 1205. Для обеспечения широкополосной работы излучателей 1202, 1205 предлагается использовать корпус 1206 с экраном 1201, в котором имеется полость с углублением 1203 для размещения излучающей пластинки 1202, 1205 МПА. При сохранении общих размеров многоярусной системы высота излучающей пластинки над экраном Н составляет 12 мм, при этом глубина полости h=22 мм, а ее диаметр D=105 мм, при длине экрана L=280 мм, что позволяет уменьшить высоту излучающей пластинки над экраном для сохранения размера корпуса антенны минимальным.
Конструкция широкополосной многоярусной антенной системы, предназначенной для работы с GNSS сигналами, представляет антенну, встраиваемую в корпус антенного блока, при заданном размере экрана 1…1.5 длины волны для обеспечения заданной высоты антенного блока, необходимой для размещения в нем преемника GPS.
Антенная система содержит: корпус 1307, включающий в себя экран 1301 с углублением 1303, излучающую пластинку МПА низкочастотного диапазона 1302 (1160-1300 мГц), излучающую пластинку МПА высокочастотного диапазона 1305 (1525-1610 мГц), и штыревые замедляющие структуры 1306, например, в виде набора отдельно расположенных металлических ребер или штырьков по периметру, по крайней мере, упомянутой излучающей пластины низкочастотного диапазона 1302 и/или упомянутой излучающей пластины высокочастотного диапазона 1305.
Причем экран имеет углубление 1203, 1303, в котором расположены упомянутые излучающие пластинки НЧ 1202, 1302 и ВЧ 1205, 1305 диапазона, так чтобы высота верхней 1205, 1305 излучающей пластинки ВЧ диапазона над экраном 1201, 1305 составляла порядка до 0.05λ длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной. Высота расположения излучающей пластинки низкочастотного диапазона 1202, 1302 выбирается известным способом, исходя из требуемой полосы частот.
Такая конструкция позволяет встроить и разместить приемник GPS в корпус антенного блока заданного размера без увеличения его габаритного размера по высоте.
В варианте конструкции с замедляющей структурой фиг.13 емкостные элементы 1306 располагают на экране 1301 и/или по всему периметру излучающей пластинки 1302, 1305. Конструктивные элементы, которые поддерживают излучающую пластинку над экраном, не показаны. Это могут быть, например, тонкие изолирующие проставки, не вносящие изменений в электрические характеристики антенны.
Таким образам, предложенная конструкция микрополосковой антенны позволяет повысить подавления отраженного от подстилающих поверхности сигнала для широкополосных или многоярусных конструкций микрополосковых антенн, расположенных на экране размера порядка 1…1.5 длины волны, не увеличивая при этом размер антенного блока, что дает дополнительное преимущество при проектировании многоярусных и многодиапазонных антенн малого размера.
Хотя выше были описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что они были представлены только для примера, а не для ограничения. Таким образом, охват и объем настоящего изобретения не должен ограничиваться никакими из вышеописанных иллюстративных вариантов осуществления, но должен определяться только нижеследующей формулой изобретения и ее эквивалентами.