Резонаторная антенна

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве всеволновой приемной, передающей или приемопередающей антенны в глобальной навигационной спутниковой системе (ГНСС).
Антенны указанного назначения должны удовлетворять следующим требованиям:
- рабочая полоса частот состоит из двух диапазонов: низкочастотного 1150 - 1300 МГц (НЧ - диапазон) и высокочастотного 1545 – 1610 МГц (ВЧ - диапазон);
- диаграмма направленности в верхнем полупространстве должна быть близка к изотропной, а в нижнем полупространстве уровень излучения должен быть минимальным;
- поляризация излученной волны в верхнем полупространстве – правая круговая;
- уровень согласования: КСВ (коэффициент стоячей волны) < 2;
- при использовании антенны в системе точного позиционирования фазовая диаграмма направленности, как функция зенитного угла, должна быть близка к константе;
- антенна должна иметь небольшие габариты, а в наружном варианте – прочный влагонепроницаемый корпус (Татарников Д.В., Астахов А.В., Степаненко А.П., Шаматульский П.П., Емельянов С.Н. Антенные технологии высокоточного спутникового позиционирования // Антенны. 2016.№ 10. – С. 77-91).
Известна всеволновая антенна для ГНСС с антенным элементом полусферической формы (RU № 2380799, МПК HO1Q 3/26, опубл. 27.01.2010).
Недостатками известной антенны являются большой горизонтальный размер (150 мм) и необходимость использования защитной крышки, которая должна быть радиопрозрачной и, в то же время, прочной и влагостойкой.
Известна резонаторная антенна с диэлектрическим корпусом полусферической формы. Диэлектрический корпус является частью антенны, в то же время он позволяет уменьшить ее размеры и защитить антенные элементы, расположенные в полости корпуса, от внешних воздействий. (Handbook of Antenna Technologies // Ed. Zhi Ning Chen. Springer Science Business Media Singapore. 2016. P. 955).
Недостатком данной резонаторной антенны является то, что она не удовлетворяет требованиям, необходимым для спутниковой навигации.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является всеволновая антенна для ГНСС, состоящая из основания, установленного на нем усеченного полого диэлектрического конуса, металлического антенного элемента, расположенного на вершине указанного диэлектрического конуса. Для получения амплитудно-фазового распределения, необходимого для излучения волны круговой поляризации, антенный элемент, имеющий форму диска, соединен четырьмя проводниками с расположенной на нижней стороне основания печатной платой, в центре которой находится четырехканальная суммирующая микросхема (RU № 2620195, МПК HO1Q 5/10, опубл. 23.05. 2017).
Недостатком известной антенны являются большой горизонтальный размер (120 мм), а также необходимость использования радиопрозрачной защитной крышки, которая усложняет конструкцию антенны.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является уменьшение горизонтального размера антенны и упрощение конструкции. Указанный технический результат достигается следующим образом. Резонаторная антенна, состоящая из металлического основания, имеющего форму круглого диска, и расположенного над ним металлического антенного элемента такой же формы, соединенного четырьмя проводниками с печатной платой, расположенной на нижней стороне основания, снабжена диэлектрическим слоем полусферической формы, установленным на основании соосно ему так, что антенный элемент находится в полости между основанием и диэлектрическим слоем.
Для достижения указанного технического результата в антенну введен диэлектрический слой полусферической формы, в полости которого находится антенный элемент, что существенно отличает предлагаемую антенну от прототипа, где антенный элемент установлен на вершине диэлектрического конуса. Численное значение диэлектрической проницаемости и размеры диэлектрического слоя  выбраны из условия резонанса в полости на средней частоте рабочей полосы частот. Явление резонанса позволяет уменьшить размеры антенны. Материал диэлектрического слоя выбран из условия малых потерь, механической прочности и влагостойкости, следовательно, диэлектрический слой, являясь частью резонаторной антенны, выполняет также роль защитного корпуса.
Описание фигур:
фиг. 1 - вид резонаторной антенны в вертикальном сечении;
фиг. 2 - вид снизу резонаторной антенны;
фиг. 3 - график КСВ резонаторной антенны;
фиг. 4 - диаграммы направленности в вертикальной плоскости.
Обозначения на фиг. 1-2:
1 – основание;
2 - антенный элемент;
3 – соединительные проводники;
4 - диэлектрический слой;
5 - печатная плата;
6 - четырехканальная суммирующая микросхема;
7 - входной разъем антенны.
Резонаторная антенна состоит из основания 1, антенного элемента 2, четырех соединительных проводников 3, диэлектрического слоя 4, печатной платы 5, в центре которой находится четырехканальная суммирующая микросхема 6, выходы которой соединены 50 – омными полосковыми проводниками одинаковой длины с проводниками 3, а вход микросхемы 6 соединен с входным разъемом антенны 7.
Четыре проводника 3 своими верхними концами соединены с антенным элементом 2 в точках, расположенных на периферии элемента 2 с периодом 90º , а своими нижними концами соединены с печатной платой 5. Проводники 3 выполнены в виде тонких однородных стержней и являются креплением и опорой для антенного элемента 2.
Предлагаемая антенна в режиме передачи работает следующим образом. Микросхема 6 создает равномерное амплитудное и квадратурное фазовое распределение мощности между проводниками 3. В результате антенный элемент 2 возбуждается в четырёх равноудалённых точках токами, имеющими одинаковые амплитуды, а фазы соответственно 0º, 90º, 180º, 270º. Такое возбуждение создаёт на антенном элементе 2 кольцевую бегущую волну тока, которая излучает волну эллиптической поляризации (Курдюмов О.А., Сагач В.Е. Антенны эллиптической поляризации в спутниковой навигации и телеметрии / Под ред. Ю.С. Яскина. - М.: Радиотехника, 2018. – С. 81).
При проектировании опытного образца предлагаемой антенны выбирались следующие параметры. Для диэлектрического слоя 4 использовался материал флан-10 с параметрами , где  - диэлектрическая проницаемость;  - тангенс угла диэлектрических потерь. Внешний и внутренний радиусы слоя 4 равны соответственно 42 мм и 27 мм;  Диаметр основания 1 равен 96 мм; диаметр антенного элемента 2 равен 47 мм, его расстояние до основания 1 равно 13 мм;  диаметр  проводников 3 равен 1 мм. В качестве микросхемы 6 использована такая же, как и в прототипе, четырёхканальная суммирующая микросхема типа SCQA-4-162, представляющая собой квадратурный делитель (сумматор).
Характеристики предлагаемой антенны, приведенные на фиг. 3–4 и в таблице 1, указывают на возможность использования предлагаемой полезной модели в качестве всеволновой антенны в системе ГНСС. Допуски на указанные размеры в пределах  1 мм практически не изменяют приведенные характеристики.
Предлагаемая антенна имеет меньший горизонтальный размер, равный 96 мм, по сравнению с прототипом (120 мм). Ещё одно преимущество  данной полезной модели – отсутствие защитной крышки, которая в прототипе и в других аналогах устанавливается на верхнюю часть антенны. В предлагаемой антенне функцию защиты выполняет диэлектрический слой, который является частью антенны и, в то же время, обладает достаточной механической прочностью и водостойкостью. Отсутствие защитной крышки упрощает конструкцию предлагаемой полезной модели.