ПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА С ДВОЙНОЙ ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ

Полосковая антенна с двойной эллиптической поляризацией
Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве двухвходовой антенны интегрального локатора малой дистанции (ЛМД) с гетеродинным приемопередатчиком.
Для функционирования интегрального ЛМД с гетеродинным приемопередатчиком необходима малогабаритная двухвходовая приемопередающая антенна, конструкция которой обеспечивает встречно направленные эллиптические поляризации излучений при наличии электродинамической связи между входами.
Целью предлагаемого технического решения является обеспечение возможности поляризационной селекции сигналов ЛМД с приемопередатчиком гетеродинного типа при встречно направленной эллиптической поляризации излучений антенны, включая отраженное от обнаруживаемого объекта, за счет конструкции двухвходовой полосковой антенны с электродинамической связью между входами и двумя соответствующими им диаграммами направленности излучения встречных эллиптических поляризаций, симметричных относительно продольной оси антенны.
Для большинства применений локаторов и систем связи важно обеспечить низкий уровень связей между входами передатчика и приемника устройства, содержащего двухвходовую антенну с различными поляризациями излучения. Однако в случае интегрального ЛМД с приемопередатчиком гетеродинного типа этот уровень должен быть достаточно высоким с тем, чтобы обеспечить передачу части мощности от передатчика на вход приемника, за счет коэффициента передачи S21 между входами полосковой антенны.
Данная цель достигается, например, при помощи двух отдельных антенн с разными направлениями вращения поляризации излучения и специального устройства, ответвляющего часть мощности передатчика ЛМД и суммирующего ее с мощностью приемной антенны на входе приемника. Поперечный размер каждой отдельной антенны определяется размером экрана, а в полный поперечник системы двух антенн входит еще расстояние между экранами, которое должно быть достаточно большим, чтобы предотвратить взаимное влияние антенн друг на друга и, тем самым, обеспечить симметрию диаграммы излучения каждой антенны относительно оси «ЛМД-цель». Однако габариты системы двух отдельных антенн недопустимо велики для некоторых практических целей применения ЛМД.
Применение сдвоенной антенны [1] с размещением двух излучателей с противоположными направлениями вращения эллиптической поляризации над одним экраном решает задачу уменьшения поперечных габаритов антенны ЛМД и реализует передачу части мощности от выхода передатчика к входу приемника посредством электродинамической связи между смежными излучателями. Однако такое техническое решение имеет существенный недостаток. Каждый излучатель сдвоенной антенны смещен относительно центра экрана и, соответственно, относительно оси «ЛМД-цель», так как оба излучателя не могут одновременно физически располагаться на одной линии. Это приводит к асимметрии диаграмм излучения каждого излучателя относительно оси и приводит к уменьшению действующих коэффициентов усиления антенны для каждой поляризации в направлении цели.
Полосковые антенны с линейной поляризацией излучения, имеющие несколько входов известны давно [2] и широко применяются для решения самых разнообразных задач. Полосковые антенны с круговой (эллиптической) поляризацией с несколькими точками подключения линий передачи рассмотрены подробно в [3]. Задача возбуждения в полосковой антенне ортогональных колебаний с требуемыми амплитудно-фазовыми соотношениями решается путем использования специальных схем питания.
Как правило, схема питания состоит из многоканального делителя мощности и элемента возбуждения. Количество элементов возбуждения может меняться от одного до четырех. Однако в выше указанной работе рассматриваются антенны либо с двойной линейной поляризацией излучения, либо лишь с одним направлением вращения круговой поляризации.
Особый интерес представляет случай точки подключения на диагонали квадратного излучателя с коротко замыкающими штырями, расположенными на центральных линиях квадрата [4]. Эта антенна может излучать х- или у-ориентированные линейные поляризации, а также право- или левовращающиеся поляризации в зависимости от расположения пар коротко замыкающих штырей. Однако, данная конструкция не позволяет создать излучение с двумя противоположно направленными эллиптическими поляризациями одновременно.
Патент США №4737793А [5] описывает полосковую антенну с двойной поляризацией, способную передавать волны с взаимно ортогональными линейными поляризациями, включая круговую поляризацию по часовой стрелке или против часовой стрелки. Конструкция включает в себя двойной управляемый делитель мощности связан с электрически управляемым фазовращателем, который питает антенну с двумя входами и двумя возможными поляризациями излучения. Различные виды поляризации излучения (линейные, круговые или эллиптические) реализуются управлением делителя мощности и фазовращателя. Однако данная конструкция содержит дополнительные управляемые элементы, такие как делитель мощности, фазовращатель и не позволяет реализовать одновременно две эллиптические поляризации излучения с противоположным направлением вращения соответствующие питанию от двух отдельных линий передачи.
Микрополосковая антенна круговой поляризации [6] представляет собой многослойную конструкцию, включающую сложную систему возбуждения со щелями, позволяющими реализовать круговую поляризацию излучения, но лишь с одним выбранным направлением вращения. Эта конструкция не позволяет реализовать двухвходовую антенну с противоположными круговыми поляризациями.
В патенте России на полезную модель №118474 [7] приведена конструкция широкополосной полосковой антенны с двойной поляризацией, имеющей два входа. Однако данная конструкция позволяет возбудить лишь линейные ортогональные поляризации излучения.
Наиболее близкой по технической сути и назначению является конструкция планарной антенны двойной поляризации [8] (Патент России №2276822. 2006. Бюл. №14), выполненная в виде квадратной металлической пластины, размещенной над проводящей поверхностью, выполняющей роль экрана, с подключенными к ней попарно возбуждающими элементами, причем длина диагонали квадратной металлической пластины равна длине волны излучения, а противофазные возбуждающие элементы ортогональных линейных поляризаций подключены к металлической пластине попарно симметрично по ее ортогональным диагоналям.
Для решения поставленной задачи предлагается полосковая антенна двойной поляризации, выполненная в виде металлической пластины, размещенной над проводящей поверхностью с возбуждающими элементами, подключенными к ней по диагоналям, отличающаяся тем, что металлическая пластина имеет прямоугольную форму, два возбуждающих элемента подключены к ней по разным диагоналям, что обеспечивает электродинамическую связь между ними, причем первый элемент предназначен для возбуждения колебаний с одним направлением вращения эллиптической поляризации, второй элемент предназначен для приема излучения с противоположным направлением вращения эллиптической поляризации при возбуждении от разных линий передачи.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности поляризационной селекции сигналов излучаемых антенной и принимаемых ею от обнаруживаемого объекта при наличии электродинамической связи между входами антенны через излучатель и при встречной эллиптической поляризации излучений за счет выполнения полоскового излучателя прямоугольной формы и расположения двух входов антенны на разных диагоналях.
Конструкция антенны обеспечивает электродинамическую связь между входами и возбуждение излучений эллиптической поляризации симметричных относительно продольной оси антенны и вращающихся в противоположном направлении относительно друг друга при питании от линий передачи, соединяющих антенну с гетеродинным приемником и передатчиком локатора.
Пример осуществления изобретения приведен на фиг. 1.
Цифрами обозначены:
1 - полосковый излучатель;
2 - диэлектрическая подложка;
3 - цилиндрический экран;
4, 6 - проводники, соединяющие точки подключения на излучателе с входами приемопередатчика;
5 - заземляющий проводник соединяющий центр излучателя с проводящей плоскостью.
Излучатель антенны заземлен по его центру, чтобы не нарушить его функционирование. Расстояние от точек подключения до центра излучателя определяет качество согласования полоскового резонатора с линиями передачи.
На фиг. 2, 3 и 4, 5 показаны расчетные диаграммы направленности антенны для лево- и правовращающихся составляющих излучения эллиптических поляризаций, возбуждаемых через элементы, подключенные к входам передатчика и приемника, соответственно. Соотношение между коэффициентами усиления для лево- и правовращающихся составляющих достигает 20 дБ и -20 дБ для эллиптических поляризаций излучения, соответствующих элементам возбуждения антенны. Следовательно, обеспечивается возможность поляризационной селекции сигналов, принимаемых от обнаруживаемых объектов.
На фиг. 6 показана расчетная частотная зависимость коэффициента отражения для каждого из двух симметричных элементов возбуждения антенны. Удовлетворительное согласование антенны со стандартными линиями передачи волновым сопротивлением 50 Ом достигается в полосе частот шириной 3 ГГц.
Предлагаемая конструкция антенны имеет коэффициент передачи между портами равный 5 дБ в диапазоне частот 10-13 ГГц, что показано на фиг. 7 в виде расчетной частотной зависимости S21(f). Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает эффективную связь между портами в широкой полосе частот через двухвходовый излучатель без применения дополнительных СВЧ элементов.
Предлагаемая конструкция антенны обеспечивает возможность поляризационной селекции сигналов при встречно направленной эллиптической поляризации излучаемого и принимаемого от обнаруживаемых объектов излучений, и передаче части мощности передатчика на вход приемника в качестве сигнала гетеродина.
Источники информации
1. Перов В.В. Антенны интегрального СВЧ локатора малой дистанции. // Электронная техника. Серия 1. СВЧ-техника. 2014, Вып. 2 (в печати).
2. R. Munson. Conformal microstrip antennas and microstrip phased arrays. IEEE Transactions on antennas and Propagation. 1974, Vol. AP - 22, No 1.
3. Банков С.E., Давыдов А.Г., Папилов К.Б. Сопоставление печатных антенн круговой поляризации с разными схемами питания [Электронный ресурс] // Журнал радиоэлектроники. 2010. №3. URL: http://jre.cplire.ru/jre/mar10/2/text.html
4. Daniel Н. Schaubert, Frederick G. Farrar, Arthur Sindoris, Scott T.
Hayes/Microstrip Antennas with Frequency Agility and Polarization Diversity // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-29, 1981, N 1, January, pp. 118-123
5. Munson Robert E.; Sreenivasiah Ippalapalli. Radiofrequency antenna with controllably variable dual orthogonal polarization. // Патент США №US 4737793 (А). Дата публикации 12.04. 1988.
6. Пастухов Н.А. Микрополосковая антенна круговой поляризации // Патент России №2251768. 2004. Бюл. №13.
7. Сычугов С.Г. Широкополосная полосковая антенна с двойной поляризацией // Патент России на полезную модель №118474. Дата публикации 20.07.2012.
8. Андреев В.Ф., и др. Планарная антенна двойной поляризации // Патент России №2276822. 2006. Бюл. №14.