ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ СПУТНИКОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Полезная модель относится к антенной технике и может использоваться в системах радиосвязи и телевещания.
Непрерывное повышение требований к информационной емкости каналов спутниковой связи приводит к необходимости создания антенн с рабочей полосой частот, перекрывающей Ки - диапазон (10,7-14,75 ГГц). Кроме широкополосной работы антенна должна обеспечивать приемлемые энергетические характеристики в зоне обслуживания пользователей, а, следовательно, иметь в этом секторе достаточно широкую диаграмму направленности. Наряду с энергетическими и частотными характеристиками, немаловажными являются массогабаритные параметры. Поэтому значительная часть антенн для систем спутниковой связи и телевидения изготавливаются в печатном исполнении.
Известны различные конструкции микрополосковых антенн, обладающих расширенным рабочим диапазоном, достигаемым путем применения многослойных технологий изготовления.
Наиболее простым способом расширения рабочей полосы микрополосковых антенны является реализация широкополосных антенн в печатном исполнении, описанных в авторизованном переводе с американского под редакцией Бененсона Л.С. М., Мир, 1964 г. "Сверхширокополосные антенны". Расширение полосы рабочих частот, в настоящее время достигается в первую очередь по согласованию излучателей с фидерным трактом. При этом усложняются конструкции элементов фидерного тракта и излучающей системы.
Известна широкополосная печатная антенна, работающая в полосе 40% в X-диапазоне. Конструкция и характеристики антенна приведены в статье Семенина С.Н., Бушкина С.С., Колмаковой Н.Г. и Меджитова Р.Д. Широкополосная печатная антенна Х-диапазона. Электроника и микроэлектроника СВЧ. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, с. 241-245. Недостатком такой антенны является существенное увеличение толщины излучателя из-за использования экрана для расширения рабочего диапазона частот.
Аналогичными недостатками обладают и сверхширокополосные микрополосковые антенны, выполненные на основе расширяющихся щелевых линий. Такие антенны широко освещены в современной периодической литературе, например, в статье Д.И. Воскресенского, Ю.В. Котова и Е.В. Овчинниковой. Тенденции развития широкополосных фазированных антенных решеток (обзор работ), журнал «Антенны» №11, 2005 г. Недостатком антенн на основе симметричных щелевых линий являются большие продольные габариты.
Более просты в конструкции дипольные антенны с расширенным рабочим диапазоном волн. Известна двухдиапазонная печатная дипольная антенна, имеющая малые массогабаритные характеристики. Дипольная антенна может быть использована как самостоятельная антенна в инфокоммуникационных проектах, так и в качестве базового излучающего модуля в печатных фазированных антенных решетках (ФАР) радиолокационных и радионавигационных систем (см. Пат. RU №2432646). У этих антенн габариты также увеличены.
Известна широкополосная микрополосковая антенна, содержащая решетку излучателей, расположенную над экраном на обеих сторонах диэлектрической подложки (см. Пат. RU №2122263). Микрополосковая антенна возбуждается двухпроводной линией передачи, к одному проводнику которой на расстоянии половины соответствующей резонансной длины волны попеременно присоединены четвертьволновые вибраторы. К другому проводнику линии на обратной стороне подложки присоединены в середине полуволновые симметричные вибраторы. Причем на плечах всех или некоторых логопериодически расположенных полуволновых излучателей образованы зазоры, не превышающие по ширине толщину подложки. В таком излучателе сохраняются основные преимущества микрополосковой антенны, и возрастает ширина полосы пропускания. При большой высоте над экраном, рабочая полоса достигает величины 20-25%. Однако, такая антенна имеет большие продольные и поперечные габаритные размеры, а также небольшое усилие.
Известна микрополосковая антенна с двумя ортогональными поляризациями, дизайн которой представлен в работе А.А. Бабаскина и В.И. Калиничева. Моделирование Кольцевой антенной решетки с цикличным фазовым распределением на элементах. Журнал Радиоэлектроники, 2014. Возбуждение антенны на ортогональных модах происходит через щели связи в металлизации, которая служит экраном для антенны и микрополосковых линий. Металлический рефлектор подавляет излучение назад в область за антенной. Обе подложки изготовлены из диэлектрика FR-4 толщиной 1.5 мм.
Известны классические планарные микрополосковые антенны, описанные, например, в работе Мушникова В.В., Печатная ФАР с продольными излучателями, VIII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Тезисы докладов, 2006 г., с. 40. Однако они обладают серьезным недостатком - в силу резонансного характера планарные микрополосковые антенны и решетки из них узкополосны, относительная полоса рабочих частот таких антенн составляет доли и единицы процентов.
Если требуется более широкая рабочая полоса частот (20% и выше), то на смену классическим поперечным излучателям приходят широкополосные и сверхширокополосные печатные антенны продольного излучения, а так же комбинированные варианты конструкции продольного и поперечного излучателей, рассмотренные в работе Касьянова А.О., Обуховца В.А. и Мушникова В.В., Результаты численного и экспериментального исследований широкополосных печатных излучателей антенных решеток. Антенны, 2007 г. №5 (120), с. 9-15. Рабочая полоса и коэффициент усиления таких антенн зависят от длины, поэтому они также имеют большие продольные габариты.
Известны широкополосные антенны на основе взаимодополняющих структур, рассмотренных, например, в работе Clarke R. A High Efficiency Bow-tie Antenna // Microwave Journal. - 2001. - №8. - P. 94-105. Они имеют различную форму, но практическое применение получила структура «бабочка» или "bow-tie". Антенна типа «бабочка» обеспечивает допустимое согласование в широкой полосе частот, но не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к характеристикам направленности сотовых телефонов. Размещение «бабочки» над экраном приводит к сужению рабочей полосы частот. Для расширения рабочей полосы частот приходится усложнять структуру печатной антенны и использовать многослойные печатные антенны. В этом случае возникает необходимость разработки широкополосных возбудителей и оптимизации их характеристик с целью получения допустимого согласования антенны в рабочей полосе частот.
Наиболее близким аналогом является антенна, приведенная в Пат. RU №157955. Однако такая антенна не обеспечивает возможность работы в Ku-диапазоне, так как имеет более узкую рабочую полосу по согласованию, а также ее сложно использовать в качестве элемента антенной решетки спутниковой связи и телевидения, т.к. диаграмма направленности элемента не перекрывает зону обслуживания пользователей.
Технической задачей заявляемой полезной модели является расширение диаграммы направленности антенны в одной плоскости, соответствующей угловому сектору зоны обслуживания.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известной широкополосной микрополосковой антенне с излучающим элементом типа «бабочка», расположенным над экраном согласно заявляемой полезной модели экран дополнен импедансной структурой, В частном случае импедансная структура может быть выполнена в виде штырей с пластинками.
Импедансная структура экрана служит для расширения диаграммы направленности в Н-плоскости и устранения влияния экрана на частотные характеристики и характеристики направленности антенны.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан общий вид микрополосковой антенны с кольцевым шлейфом, работающей в Ku-диапазоне (10,7-14,75 ГГц). В отличие от широко применяемого на практике микрополоскового шлейфа, кольцевой шлейф более эффективен при согласовании. Кольцевой шлейф представляет собой полый металлический цилиндр диаметром 25 мм и высотой 2 мм, толщина стенки цилиндра составляет 1 мм. На фиг. 1 обозначены следующие позиции: 1 - бабочка; 2 - коаксиальное питание; 3 - кольцевой шлейф; 4 - диэлектрик. На фиг. 2 приведены диаграммы направленности антенны, показанной на фиг. 1, в плоскости Е. На фиг. 2 обозначены диаграммы направленности в плоскости Е на трех частотах: 5-10.7 ГГц; 6-12.7 ГГц; 7-14.75 ГГц. На фиг. 3 приведены диаграммы направленности антенны, показанной на фиг. 1, в плоскости Н. На фиг. 3 обозначены диаграммы направленности в плоскости Н на трех частотах: 8-10.7 ГГц; 9-12.7 ГГц; 10-14.75 ГГц. На фиг. 4 приведена зависимость КСВ от частоты для антенны, показанной на фиг. 1. На фиг. 5 показан общий вид микрополосковой антенны с кольцевым шлейфом и импедансной структурой, выполненной в виде металлических штырей, дополненных сверху металлическими пластинами. На фиг. 5 обозначены следующие позиции: 11 - элемент импедансной поверхности; 12 - бабочка; 13 - кольцевой шлейф, 14 -диэлектрик, 15 - коаксиальное питание; 16 - экран; 17 - крепление элемента импедансной поверхности. На фиг. 6 показан общий вид и приведены размеры импедансной структуры. На фиг. 7 показаны диаграммы направленности антенны, приведенной на фиг. 5, в плоскости Е. На фиг. 7 обозначены диаграммы направленности в плоскости Е на трех частотах: 18 - 10.7 ГГц; 19 - 12.7 ГГц; 20 - 14.75 ГГц. На фиг. 8 приведены диаграммы направленности антенны, показанной на фиг. 7, в плоскости Н. На фиг. 8 обозначены диаграммы направленности в плоскости Н на трех частотах: 21 - 10.7 ГГц; 22 - 12.7 ГГц; 23 - 14.75 ГГц. На фиг. 9 приведена зависимость КСВ от частоты для антенны, показанной на фиг. 5.
Широкополосная антенна для систем спутникового телевидения с кольцевым шлейфом работает следующим образом. Сигнал подается через коаксиальный кабель 15 на излучатель, обозначенный позицией 12 на фиг. 5. Для практической реализации подложки антенны могут быть использованы фольгированные диэлектрики, а также воздушные линии. Подложка обозначена позицией 14. Для обеспечения однонаправленного излучения в конструкции антенны предусмотрен экран, который обозначен позицией 16 на фиг. 5. Расширение рабочей полосы по критерию оптимального согласования в антенне осуществляется с помощью кольцевого шлейфа, обозначенного позицией 13. Импедансная структура, применяемая для расширения диаграммы направленности в Н - плоскости и устранения влияния экрана на характеристики антенны, обозначена позицией 11. Крепление элемента импедансной структуры к экрану на необходимой для работы антенны высоте осуществляется металлическим штырем, обозначенным позицией 17. Отличие антенны без импедансной структуры и с импедансной структурой проиллюстрировано фиг. 10, фиг. 11 и фиг. 12. На фиг. 10 совмещены диаграммы в Н-плоскости на частоте f=10,7 ГГц для антенны без импедансной структуры, обозначенной позицией 24, и с импедансной структурой, обозначенной позицией 25. На фиг. 11 совмещены диаграммы в Н-плоскости на частоте f=12,7 ГГц для антенны без импедансной структуры, обозначенной позицией 25, и с импедансной структурой, обозначенной позицией 27. На фиг. 12 совмещены диаграммы в Н-плоскости на частоте f=14,75 ГГц для антенны без импедансной структуры, обозначенной позицией 28, и с импедансной структурой, обозначенной позицией 29. Расширение диаграммы происходит при сохранении частотных характеристик согласования, что иллюстрируется фиг. 13. График на фиг. 13, соответствующий антенне без импедансной структуры обозначен позицией 30, с импедансной структурой - позицией 31.
Таким образом, разработана широкополосная микрополосковая антенна, обеспечивающая работу в полосе, соответствующей Ku - диапазону, в котором осуществляется спутниковая связь и телевещание, а также расширение ДН в плоскости Н при сохранении частотных характеристик антенны.