ШИРОКОПОЛОСНАЯ ТРЕХДИАПАЗОННАЯ РУПОРНО-МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА
BROADBAND THREE-BAND 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, радиомониторинге, в решении задач электромагнитной совместимости.
Известна "Рупорная антенна" (см. Пат. RU №2250542, МПК 7 H01Q 13/02, опубл. 20.04.2005 г., бюл. №11). Она содержит прямоугольный рупор, торец которого закрыт металлической заглушкой, три металлических гребня специальной формы и особым подключением. Антенна обеспечивает прием и передачу сигналов в сравнительно широкой полосе частот с высоким уровнем согласования и линейной фазочастотной характеристикой. Однако она непригодна для работы со значительным классом ШП сигналов из-за недостаточной широкополосности. Кроме того, аналог характеризуется достаточно большими габаритами, величина которых определяется средним значением частоты сигнала.
Известна "Дисковая микрополосковая антенна" (см. авт.св. СССР №1573487, МПК 5 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. авт.св. СССР №1141482, МПК 5 H01Q 13/10, 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 питающим 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 с мобильными абонентами, большие размеры, особенно на частотах 450 МГц и ниже.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому устройству является "Ультраширокополосная компактная рупорно-микрополосковая антенна с высокой направленностью" (см. Пат. RU №2289873, МПК 7 H01Q 3/02, 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, чем 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, ∆F=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 существенным недостатком. Она непригодна для работы со значительным классом ШП сигналов из-за недостаточной широкополосности.
В настоящее время является актуальной задача создания компактных направленных антенн для приема и передачи сигналов в сетях связи с макро- и микросотовой структурой, использующих следующие полосы частот: 450-470 МГц, 890-1000 МГц и 1690-2400 МГц (см. Ратинский М.В. Основы сотовой связи / Под ред. Д.В.Зимина. - М.: Радио и связь, 1998). Еще большую сложность представляет разработка компактной направленной сверхширокополосной антенны, обеспечивающей эффективный прием и передачу сигналов одновременно во всех названных поддиапазонах частот.
Целью заявляемого технического решения является разработка широкополосной трехдиапазонной компактной антенны, обеспечивающей эффективный прием и передачу сигналов известных стандартов сотовых и транковых систем связи.
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 пластиной из металла, расположенной на диэлектрической подложке и укрепленной соосно и симметрично на шунте в центре внутренней стороны экрана-рефлектора, при этом плоскость пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору и обеспечен надежный механический и электрический контакт пластины с экраном-рефлектором, и питающую коаксиальную линию, дополнительно введено ферритовое кольцо, расположенное на другой стороне диэлектрической подложке металлической пластины резонатора, шунт и рупор имеют форму прямого цилиндра с прямоугольным сечением, а пластина резонатора выполнена в форме равнобедренного треугольника, ось симметрии которого перпендикулярна двум противолежащим меньших размеров боковым стенкам рупора и проходит через их оси симметрии и точку крепления пластины с шунтом, а вершина равнобедренного треугольника металлической пластины резонатора дополнена симметрично выступающими полосковыми элементами, местоположение и размеры которых определяются значениями заданных рабочих полос частот, вершина равнобедренного треугольника металлической пластины резонатора соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии надежным электрическим контактом, причем питающая коаксиальная линия подведена к металлической пластине резонатора через боковую стенку рупора перпендикулярно к ней, а внешний проводник линии закреплен на боковой стенке рупора надежным электрическим контактом, а ферритовое кольцо закреплено на диэлектрической подложке пластины резонатора таким образом, что его центр расположен на оси симметрии равнобедренного треугольника металлической пластины резонатора по середине между шунтом и вершиной равнобедренного треугольника металлической пластины резонатора.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что вводится ферритовое кольцо и изменяется форма рупора, резонатора и шунта позволяет достичь цели изобретения: разработать эффективную широкополосную трехдиапазонную компактную антенну.
Технический результат достигается за счет создания антенны, объединяющей положительные качества двух различных типов антенн: микрополосковой антенны и рупора с добавлением ферритового кольца. Излучатель микрополосковой антенны сконструирован в виде равнобедренного треугольника с добавлением симметрично выступающих полосковых элементов. 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 в совокупности с шунтом и ферритовым кольцом позволяет получить оптимальное распределение электромагнитного поля по апертуре антенны в трех поддиапазонах частот: 450-470 МГц, 850-1000 МГц и 1500-2100 МГц. При решении поставленной задачи учтена кратность рассматриваемых диапазонов частот. Предложенная конструкция антенны позволяет при сохранении коэффициента усиления уменьшить габаритные характеристики изделия по толщине до значений
1
2
3
1
2
3
cp.3
ср
cp
0,07λ, 0,17λ и 0,29λ (где λ, λ и λ - длины волн для средних частот используемых поддиапазонов частот), что значительно меньше, чем у прототипа. Кроме того, существенно уменьшены размеры апертуры антенны (для различных частот от 2,5 до 10 раз по сравнению с прототипом). Предлагаемая конструкция антенны позволила существенно увеличить ширину рабочего диапазона частот. Ширина только третьего поддиапазона рабочих частот составила 600 МГц со средней частотой f=1,8 ГГц (у прототипа 600 МГц на f=4,5 ГГц), что соответствует выигрышу заявляемой антенны по широкополосности даже без учета первого и второго поддиапазонов в относительных единицах η=∆f/f в 2,5 раза.
Заявляемая антенна поясняется чертежами, где
на фиг.1 показана полностью собранная антенна в соответствии с заявляемым изобретением;
на фиг.2 иллюстрируется треугольная 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) в полосе от 400 МГц до 2,2 ГГц;
на фиг.5 иллюстрируется зависимость КСВ от используемой частоты в полосе 450-470 МГц;
на фиг.6 приведены измеренные значения входного сопротивления антенны для частот 450-470 МГц;
на фиг.7 иллюстрируется зависимость КСВ для полосы частот от 800 до 1030 МГц;
на фиг.8 приведены измеренные значения входного сопротивления антенны для 860-940 МГц;
на фиг.9 иллюстрируются измеренные значения КСВ в полосе частот 1400-2200 МГц;
на фиг.10 приведены измеренные значения входного сопротивления антенны для частот 1500-2000 МГц;
на фиг.11а, б, в приведено распределение поля Е и тока I на предлагаемой пластине резонатора для частот 450-470 МГц, 800-1000 МГц и 1500-2200 МГц соответственно.
А
Б
р
р
3
с
На фиг.3 представлены оптимальные размеры антенны, которые были получены на опытном макете, настроенном на три полосы частот: 450-470 МГц, 850-1000 МГц и 1500-2200 МГц. Площадь раскрыва антенны Д×Д составила 140×60 мм. Площадь заземленного экрана-отражателя рупора также составляет 140×60 мм. Пластина резонатора выполнена в виде равнобедренного треугольника с основанием 58 мм и высотой Д=130 мм с добавлением полосковых элементов (см. фиг.2). Высота установки пластины резонатора над землей h=37 мм, что составляет 0,4λ для третьего поддиапазона. Последняя выбрана экспериментально для обеспечения максимального коэффициента усиления антенны +10 dBi в третьем поддиапазоне. Коэффициент усиления в первом и втором поддиапазонах составляет 6 dBi и 7 dBi соответственно. Высота (или толщина) антенны h с учетом толщины стенки рефлектора 40 мм. Диаметр шунта 3 составляет 30 мм.
Широкополосная трехдиапазонная рупорно-микрополосковая антенна (см. фиг.1 и 2) содержит рупор 1, выполненный из металла, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатор 2, образованный экраном-рефлектором и пластиной из металла, расположенной на диэлектрической подложке 6 и укрепленной соосно и симметрично на шунте 3 в центре внутренней стороны экрана-рефлектора, при этом плоскость пластины резонатора 2 параллельна экрану-рефлектору рупора 1 и обеспечен надежный механический и электрический контакт, и питающую коаксиальную линию 4.
Для обеспечения эффективного приема и передачи сигналов известных стандартов сотовых и транковых систем связи дополнительно введено ферритовое кольцо 5, размещенное на другой стороне диэлектрической подложки металлической пластины резонатора 2. Рупор 1 и шунт 3 выполняются в форме прямого цилиндра с прямоугольным сечением. Пластина резонатора 2 в свою очередь выполняется в форме равнобедренного треугольника. Ось симметрии пластины резонатора 2 перпендикулярна двум противолежащим меньшего размера боковым стенкам рупора 1 и проходит через их оси симметрии и точку крепления пластины с шунтом 3. Вершина равнобедренного треугольника пластины резонатора 2 дополнена симметрично выступающими полосковыми элементами 7.1, 7.2, 8.1, 8.2 (см. фиг.2), местоположение и размеры которых определяются заданными значениями рабочих полос частот. Вершина равнобедренного треугольника пластины резонатора 2 соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии 4 надежным электрическим контактом, причем питающая коаксиальная линия 4 подведена к рупору 1 через малую боковую стенку перпендикулярно к ней. Внешний проводник линии 4 закреплен на этой боковой стенке рупора 1 надежным электрическим контактом. Ферритовое кольцо 5 закреплено на диэлектрической подложке пластины резонатора 2 таким образом, что его центр расположен на оси симметрии равнобедренного треугольника металлической пластины резонатора 2 по середине между шунтом 3 и вершиной равнобедренного треугольника металлической пластины резонатора 2.
1
1
Широкополосная трехдиапазонная рупорно-микрополосковая антенна работает следующим образом. Заявляемая антенна (см. фиг.1, 2 и 3) состоит из трех основных частей: рупора 1, резонатора 2, представляющего собой щелевую антенну специальной формы и запитанную особым способом - непосредственно через малую боковую стенку рупора 1, шунта 3 и ферритового кольца 5. В задачу шунта 3 входит компенсация реактивных составляющих входного сопротивления антенны в первом поддиапазоне частот, а также запрещение (в составе разомкнутых шлейфов) растекания токов I по соответствующей части треугольной пластины резонатора 2 для обеспечения формирования базовых характеристик антенны в полосах частот 450-470 МГц, 850-1000 МГц и 1500-2100 МГц (Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны - М.: Государственное издательство по вопросам связи и радио, 1962, стр.677-680). Треугольная пластина резонатора 2 содержит дополнительные симметрично выступающие прямоугольные полосковые неоднородности, местоположение, форма и размеры которых определяют заданные значения полос частот и были подобраны экспериментально. Высота треугольной пластины резонатора 2 приблизительно равна λ/4 (f=450 МГц).
Необходимые для передачи электрические сигналы поступают на заявляемую антенну по коаксиальному кабелю 4. Возбуждение резонатора 2 начинается на участке коаксиальной линии 4 между точками 10 и 11 (см. фиг.3). Необходимость в наконечнике, используемом в устройстве-прототипе, отпала из-за маленькой длины центрального проводника коаксиальной линии 4 на участке 10-11.
Возбужденная электромагнитная волна между пластиной резонатора 2 и заземленным экраном-рефлектором рупора 1 формирует на апертуре заявляемой антенны сходное с устройством-прототипом распределение электрического и магнитного полей.
1
1
Рассмотрим более подробно работу антенны в заявляемых поддиапазонах частот. В полосе частот 450-470 МГц в работе антенны участвует максимальный объем резонатора 2. Шунт 3 расположен на удалении примерно λ/8 от точки запитки, а центр ферритового кольца 5 - примерно на удалении λ/16. В результате шунт не препятствует (в совокупности с полосковыми элементами) растеканию тока I по всей поверхности пластины резонатора 2. Приблизительные значения в приведенных и последующих соотношениях обусловлены укорочением длины волны в деталях антенны, влиянием диэлектрика и корпуса рупора. По всем двум парам симметрично выступающих из треугольной пластины резонатора полосковых элементов 7.1 и 7.2, 8.1 и 8.2 (см. фиг.2, 4, 5, 6 и 11а) растекаются токи, взаимно компенсируя друг друга. Характеристики рассматриваемой антенны с пластиной резонатора треугольной формы и центральным возбуждением, а также физические процессы, протекающие в ней, близки по своей природе к соответствующим характеристикам и процессам в шунтовых вибраторах над экраном (см. Сверхширокополосные антенны. Пер. с англ. С.В.Попова, В.А.Журавлева - М.: Мир, 1964, стр.394-402). К последним можно отнести значение коэффициента стоячей волны (КСВ) в совокупности с шириной полосы рабочего диапазона частот, распределение токов на пластине резонатора, структуру излучаемого поля. Приведенные на фиг.5 и 6 результаты измерений свидетельствуют о том, что в первом поддиапазоне заявляемых частот 450-470 МГц КСВ в середине составляет 3. Входное сопротивление в основной части поддиапазона имеет резонансный характер. Настройка характеристик антенны в этом поддиапазоне осуществляется изменением ширины щели над основанием равнобедренного треугольника пластины резонатора 2, а также с помощью варьирования размерами и местоположением выступов 9.1 и 9.2 в его основании. На фиг.11а иллюстрируется распределение поля Е и тока 7 на треугольной пластине резонатора.
ср2
ср2
cp2
В полосе частот 890-1000 МГц в работе антенны участвует усеченный до уровня шунта 3 резонатор 2. Разомкнутый шлейф 7.1-7.2 (включенный на расстоянии около 0,18λ от точки питания и имеющий длину, близкую к λ/4) препятствует растеканию токов I по пластине резонатора 2 при переходе ко второму поддиапазону со средней частотой f.
В то же время, участок от точки питания до шлейфа 7.1-7.2 включительно может рассматриваться как несимметричный вибратор с верхней нагрузкой и резонансной частотой, соответствующей частотам второго поддиапазона.
Принцип работы антенны в этом поддиапазоне аналогичен выше рассмотренному. На фиг.7 и 8 приведены результаты измерений зависимости КСВ и входного сопротивления антенны от используемой полосы частот. Последние свидетельствуют о том, что во втором поддиапазоне частот 890-1000 МГц КСВ в среднем составляет 3,5, а входное сопротивление антенны укладывается в круг равного КБВ 0,25. На фиг.11б иллюстрируется распределение поля Е и тока I на усеченной пластине резонатора 2. Настройка характеристик антенны во втором поддиапазоне осуществляется с помощью варьирования размерами пары 7.1-7.2 симметрично выступающих из треугольного резонатора полосковых элементов. Длина полосковых элементов 8.1-8.2 определяет среднее значение частоты второго поддиапазона, а их толщина - ширину полосы частот второго поддиапазона. Следует отметить, что увеличивать длину и толщину полосковых элементов 7.1-7.2 и 8.1-8.2 можно лишь в определенных пределах из-за взаимного влияния последних на реализуемые с их помощью характеристики антенны.
3
Принцип действия антенны в третьем поддиапазоне 1500-2100 МГц в основном аналогичен ее работе в первых двух поддиапазонах (см. фиг.11в). Работа в заданной полосе частот достигается путем использования наименьшей части резонатора 2. В работе участвует вершина треугольной пластины с добавлением полосковых элементов 8.1-8.2, расположенная над экраном (задней стенкой рупора) примерно на расстоянии λ/4.
В третьем поддиапазоне частот заявляемой антенны реализована полоса пропускания 600 МГц. При этом значение относительной полосы пропускания
3
ср3
∆f'=f/f составляет 0,3, что влечет за собой многорезонансный характер ее характеристик. Для сглаживания частотных характеристик используется ферритовое кольцо 5. Оно располагается в области наибольшей плотности токов I, возбуждаемых электромагнитным полем с частотами третьего поддиапазона (по середине между шунтом 3 и вершиной равнобедренного треугольника пластины резонатора). В то же время ферритовое кольцо 5 не оказывает заметного влияния на распространение токов второго и третьего поддиапазонов частот.
Включение ферритового кольца марки 10СЧ позволяет сгладить характеристику входного сопротивления и достичь согласования во всем рассматриваемом поддиапазоне частот. Использование феррита не приводит к заметному ухудшению кпд антенны. В третьем поддиапазоне снижение кпд составляет 2-3% и не оказывает заметного влияния на ее работу во втором и первом поддиапазонах.
ср3
На фиг.9 и 10 приведены результаты измерений зависимости КСВ и входного сопротивления антенны от используемой полосы частот 1500-2000 МГц. Последние свидетельствуют о том, что КСВ в рассматриваемой полосе частот равен 2, а входное сопротивление антенны укладывается в круг равного КБВ 0,5 и имеет многорезонансный характер в области 50 Ом. На фиг.11в иллюстрируется распределение поля Е и тока I на усеченной пластине резонатора 2. Настройка характеристик антенны в третьем поддиапазоне осуществляется с помощью перемещения ферритового кольца 5. С его помощью достигается изменение (в небольших пределах) значение средней частоты f и границ третьего поддиапазона частот.
Предлагаемый вариант исполнения пластины резонатора 2 получен экспериментально путем варьирования размерами полосковых элементов 7.1-7.2 и 8.1-8.2, ферритовым кольцом 5.
Заявляемая антенна может использоваться в составе фазированной антенной решетки для измерения пространственных параметров сигналов в названных диапазонах частот.
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 токопроводящим покрытием.