МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА С ПЕРЕКЛЮЧАЕМОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ
MICRO-STRIP ANTENNA WITH SWITCHED POLARISATION

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может использоваться в трактах приемных и передающих систем связи, радиолокации и радионавигации.
Известна конструкция микрополосковой антенны, содержащей диэлектрическую подложку, одна поверхность которой полностью металлизирована и заземляется, а на вторую нанесен полосковый металлический проводник в форме прямоугольника, либо круга, либо эллипса и т.п. [Д.М.Сазонов. Антенны и устройства СВЧ. / Изд. «Высшая школа», 1988 г., 432 с.]. Такая микрополосковая антенна позволяет излучать электромагнитные волны с линейной, круговой, а также эллиптической поляризацией. Недостатком является невозможность электрически управлять поляризацией электромагнитных волн, излучаемых антенной.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является антенна с управляемой поляризацией [патент РФ №2339130, МПК H01Q 9/00, опубл. 20.11.2008, бюл. №32]. Антенна состоит из излучателя в виде квадратной рамки, содержащей отводы от середины ее сторон к центру, плоского рефлектора, расположенного параллельно плоскости рамки, и коаксиального кабеля, подвешенного к отводам. Причем стороны рамки в ее вершинах и отводы в центре соединены попарно между собой кремниевыми динисторами, управление которыми осуществляется напряжением, поступающим по коаксиальному кабелю от схемы управления. В такой антенне электронное управление позволяет переходить от одного вида поляризации к другому. Недостатком антенны является низкая эффективность антенны на частотах сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн из-за больших потерь в полупроводниковых элементах. Кроме того, для работы устройства необходимо наличие достаточно сложной электронной схемы управления динисторами.
Техническим результатом изобретения является увеличение верхней границы рабочих частот антенны с переключаемой поляризацией и упрощение электронной схемы управления.
Указанный технический результат достигается тем, что в антенне, содержащей металлический полосковый излучатель с отводом к коаксиальному кабелю и плоский металлический экран, новым является то, что между экраном и излучателем помещен диэлектрический материал с управляемыми электромагнитными свойствами.
Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что между экраном и проводником излучателя помещен диэлектрический материал с управляемыми электромагнитными свойствами, например жидкий кристалл, сегнетоэлектрик или ферромагнетик. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 - конструкция заявляемой микрополосковой антенны; Фиг.2 - пример конкретной реализации заявляемого устройства; Фиг.3 - расчетная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) потерь на отражение заявляемой микрополосковой антенны для двух управляющих напряжений; Фиг.4 - распределение высокочастотных токов в полосковом проводнике антенны; Фиг.5 - измеренные диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости; Фиг.6 - измеренные поляризационные диаграммы направленности заявляемой антенны.
Заявляемое устройство (Фиг.1) содержит металлическое основание-экран (7) и расположенный над ним металлический проводник (2), между которыми находится диэлектрическая среда с управляемыми электромагнитными характеристиками (3). Проводник (2) может иметь различную форму, например прямоугольной рамки, прямоугольника, эллипса и др. В данном случае, для определенности, выбран прямоугольный проводник. Подключение к внешней линии передачи осуществляется с помощью коаксиального кабеля, центральный электрод которого в виде отвода подсоединен к полосковому проводнику (2).
Как известно, микрополосковые антенны, широко используемые в настоящее время в различных антенно-фидерных устройствах, обладают рядом достоинств, главным из которых является миниатюрность. Благодаря использованию в таких антеннах подложек с высокой относительной диэлектрической проницаемостью, удается значительно уменьшить размеры устройств, а значит, и их массу. Другой важной особенностью микрополосковых антенн является возможность излучать ими электромагнитные волны с линейной, круговой, а также эллиптической поляризацией. При этом такие антенны допускают удобные конструктивные решения для работы в одно- двух- или многочастотных режимах, легко позволяют объединять отдельные идентичные излучатели в фазированные антенные решетки и размещать их на поверхностях сложной формы. В то же время существует большая проблема в создании микрополосковых антенн, характеристиками которых (поляризацией, диаграммой направленности и др.) можно было бы электрически управлять. Особенно остро эта проблема стоит в миллиметровом диапазоне длин волн, где рабочие параметры таких полупроводниковых приборов, как p-i-n диоды, динисторы и др., существенно ухудшаются.
Предлагаемая конструкция электрически управляемой микрополосковой антенны позволяет изменять поляризацию излучения даже в миллиметровом диапазоне длин волн.
||
⊥
||
⊥
||
⊥
⊥
||
⊥
||
1
2
⊥
||
1
2
2
1
1
2
2
На Фиг.2 изображена конструкция конкретной реализации электрически управляемой микрополосковой антенны с возможностью переключения поляризации в двух ортогональных направлениях. В данном варианте антенны в качестве диэлектрической среды с управляемыми электромагнитными характеристиками используется жидкий кристалл (ЖК). Как известно, молекулы жидких кристаллов, обладая дипольным моментом, легко поляризуются (ориентируются) под воздействием электрических полей. При этом имеет место некоторое различие диэлектрических констант ε (в случае ориентации молекул вдоль направления поляризации высокочастотного электрического поля) и ε. (в случае ориентации молекул ортогонально этому направлению). Разница диэлектрических констант (анизотропия) Δε=ε-ε может оставаться значительной даже на частотах в десятки гигагерц (например, в ЖК из серии цианобифенилов ε=2.9, ε=2.6), что позволяет существенно повысить верхнюю границу рабочих частот устройства. Конструкция жидкокристаллической антенны содержит металлический корпус-экран (7) и подвешенную в нем диэлектрическую подложку (4). На нижнюю сторону диэлектрической подложки нанесен металлический полосковый проводник излучателя (2). Между подложкой и экраном заливается слой жидкого кристалла (3). Металлический экран и полосковый проводник на подвешенной подложке перед заливкой жидкого кристалла подвергается специальной механической обработке (полировке), которая обеспечивает ориентацию молекул ЖК параллельно плоскости подложки (4). При этом длинные оси молекул (Фиг.2,а) ориентированы перпендикулярно направлению поляризации высокочастотного электрического поля антенны и диэлектрическая проницаемость использованного в макете устройства ЖК становится минимальной (ε=2.6). Под действием постоянного электрического поля, создаваемого управляющим напряжением, приложенным к полосковому проводнику (2) антенны относительно заземленного основания (7), происходит переориентация длинных осей молекул жидкого кристалла ортогонально плоскости подложки. При этом молекулы жидкого кристалла ориентируются параллельно направлению поляризации высокочастотного электрического поля антенны (Фиг.2,б), а диэлектрическая проницаемость ЖК становится максимальной (ε=2.9). Это дает возможность, при соответствующем выборе формы излучателя, возбуждать в полосковом проводнике излучателя ту или другую ортогональную моду колебаний на рабочей частоте, и тем самым управлять поляризацией излучения. Сказанное поясняется Фиг.3, на которой представлены расчетные частотные зависимости потерь на отражение макета ЖК-антенны. Здесь сплошной линией показаны потери для случая, когда жидкий кристалл имеет относительную диэлектрическую проницаемость ε=2.6, точками - для случая с ε=2.9. Толщина слоя ЖК составляла при этом 0.5 мм, а размеры прямоугольного полоскового проводника 8.5×9 мм. Диэлектрическая подложка была выполнена из кварца (ε=3.7), толщиной 0.3 мм. Точка подключения отвода коаксиального кабеля находилась на расстоянии 2.3 мм от края широкой и 2.6 мм от края узкой стороны полоскового проводника излучателя. Как видно, антенна имеет две резонансные частоты f и f, которые соответствуют полуволновым резонансам токов вдоль длинной и короткой стороны полоскового проводника излучателя. При изменении диэлектрической проницаемости ЖК от ε до ε происходит сдвиг резонансов вниз по частоте до значений f' и f', при этом f'≈f, а поляризации излучаемых (принимаемых) электромагнитных волн для этих частот будут взаимно ортогональны. Доказательством ортогональности поляризаций излучаемых электромагнитных волн служит Фиг.4, где приведены распределения высокочастотного тока в полосковом проводнике антенны на частотах f (Фиг.4,а) и f' (Фиг.4,б). Видно, что направления токов на этих частотах ортогональны друг другу и, соответственно, поляризации электромагнитных волн, создаваемых этими токами в дальней зоне антенны, будут также ортогональны.
0
1
0
2
Антенна работает следующим образом. Высокочастотный сигнал поступает через отвод коаксиального кабеля на прямоугольный полосковый проводник (2), причем точка соединения на полосковом проводнике выбирается из условия наилучшего согласования антенны с генератором. Если управляющее напряжение отсутствует, а несущая частота подводимого сигнала f близка к резонансной частоте антенны f (соответствующей, в нашем случае, резонансу токов вдоль широкой стороны полоскового проводника 2), то практически вся подводимая мощность излучается в свободное пространство, а поляризация электромагнитной волны является вертикальной. Если же на полосковый проводник подано напряжение, переориентирующее молекулы ЖК, то на той же частоте сигнала f в полосковом проводнике будет возбуждаться колебание, соответствующее резонансу f' (Фиг.3), а поляризация излучаемой электромагнитной волны будет горизонтальной. Таким образом, прикладывая соответствующее напряжение на полосковый проводник (2), можно переключать поляризацию излучаемых электромагнитных волн в двух ортогональных плоскостях. Аналогично антенна работает в режиме приема.
1
2
На Фиг.5 приведены диаграммы направленности, измеренные в горизонтальной плоскости (плоскость, параллельная меньшей стороне полоскового проводника) на частотах f (Фиг.5,а) и f' (Фиг.5,б), соответствующих двум ортогональным поляризациям. Видно, что ширина диаграмм направленности, измеренная по уровню -3 дБ от уровня максимума, в обоих случаях примерно одинакова и составляет величину около 80°, кроме того, направление максимума диаграммы направленности и ее форма практически одинаковы. Диаграммы направленности, измеренные в вертикальной плоскости, подобны приведенным на Фиг.5.
1
2
1
2
Одной из важнейших характеристик антенны с переключаемой поляризацией является поляризационная диаграмма направленности, которая характеризует степень развязки между принимаемыми (излучаемыми) сигналами, имеющими ортогональную поляризацию. На Фиг.6 представлены результаты измерений поляризационных диаграмм направленности заявляемой ЖК-антенны, проведенных на частотах, соответствующих резонансам f (Фиг.6,а) и f' (Фиг.6,б). Видно, что направление на максимум излучения на частоте f соответствует направлению на минимум излучения на частоте f'.
Заявляемая микрополосковая антенна с переключаемой поляризацией имеет более простую, по сравнению с аналогами, электрическую схему управления и способна работать на частотах вплоть до миллиметрового диапазона длин волн.