МИКРОПОЛОСКОВАЯ ПРИЕМНАЯ АКТИВНАЯ АНТЕННА КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Полезная модель относится к антенной технике и может быть широко использовано в качестве самостоятельной приемной, передающей или приемо-передающей многодиапазонной антенны или элемента фазированной антенной решетки. В частности, антенна может применяться как приемная антенна в аппаратуре пользователей космических навигационной систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS и т.п.), работающей одновременно в диапазонах L1, L2, L3, L4 и L5, или в качестве элемента фазированной антенной решетки с адаптивной обработкой сигналов для формирования «нулей» в диаграмме направленности (ДН) в направлении прихода преднамеренных или непреднамеренных (отраженных) помех в той же аппаратуре.
4
Наиболее широко используемыми устройствами многочастотных микрополосковых антенн (МПА) являются устройства, у которых антенны на различные частотные диапазоны размещаются друг над другом таким образом, что антенны на более высокие частотные диапазоны расположены над антеннами на более низкие частотные диапазоны [Dual freguensy microstrip patcn antenn with improved feed and increased bandwidth: Пат. 4827271, США, МКИ H01Q 1/38, опубл. 02.05.89]. Причем каждая упомянутая антенна служит земляной плоскостью для антенны над ней. Такие антенны получили название МПА этажерочного типа. Они могут запитываться от одного фидера, или от двух и более. В первом случае либо только одна антенна возбуждается непосредственно от фидера, а остальные связаны с ней посредством паразитной связи, либо запитываемые антенны объеденены с помощью согласующе-суммирующего устройства. Во втором случае каждая или несколько антенн запитываются от раздельных фидеров.
Основным недостатком МПА этажерочного типа является большое взаимное влияние элементов антенны, обеспечивающих ее работу в различных частотных диапазонах, и, как следствие, искажение формы диаграммы направленности (ДН) в каждом из рабочих частотных диапазонов. Вторым недостатком МПА этажерочного типа является многоэтажность конструктивного исполнения.
Менее используемыми, но наиболее компактными устройствами многочастотных микрополосковых антенн (МПА) являются устройства, в которых антенные элементы на различные частотные диапазоны размещаются в одной плоскости, как вариант - на одной подложке.
к
g
g
Известна двухчастотная антенна, образованная композитной кольцевой право/левовинтовой передающей линией, отдельные ячейки которой соединены проводниками в центре и заземлены (Otto S., Rennings A., Caloz С., Waldow P., Itoh Т., «Composite right/left-handed λ-resonator ring antenna for dual-frequency operation», Antennas and Propagation Society International Symposium., vol.1A pp.684-687, July 2005). Как и для обычной кольцевой антенны, резонансное излучение возможно на частотах, на которых поддерживается кратное целой длине волны распределение поля в кольцевом резонаторе (l=nλ, где n=1, 2, 3… - номер моды, λ - длина волны в композитной линии). При этом двухчастотность на каждой моде достигается за счет расщепления дисперсионной кривой левовинтовой передающей линии (метаматериала) вследствие ее дуальной природы. Нижняя рабочая частота соответствует λ-моде в левовинтовой области (обратная волна, n=-1), а верхняя рабочая частота соответствует λ-моде в правовинтовой области (прямая волна, n=+1) композитной передающей линии. На обеих частотах достигается идентичное распределение поля вдоль кольцевого антенного элемента, и, следовательно, идентичные характеристики антенны. При этом антенна имеет малые поперечные размеры за счет применения метаматериала.
Недостатком этой конструкции является то, что в такой антенне сложно реализовать произвольное соотношение рабочих частот.
Известна также двухчастотная микрополосковая антенна, в которой может быть реализовано большое количество частот и сами частоты могут устанавливаться произвольно (Wong К. Compact and Broadband Microstrip Antennas, John Wiley @ Sons, 2002. - 324 p.). Многочастотная МПА содержит в качестве антенных элементов кольцевые антенные элементы с внешними формами, симметричными относительно центра МПА, а также планарный антенный элемент, сформированный во внутреннем кольцевом антенном элементе и имеющий внешние формы, также симметричные относительно центра МПА. МПА также содержит средство питания антенных элементов: штырь связи для питания планарного антенного элемента и разрезного кольцевого антенного элемента. В центре планарного антенного элемента имеется щель. Точка питания располагается под углом 45° относительно оси щели.
Недостатком этой антенны является то, что круговая поляризация поля излучения может быть достигнута в относительно узкой полосе частот (несколько процентов), что достаточно для антенны GPS, но совершенно недостаточно для антенны ГЛОНАСС/GPS.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является микрополосковая приемная активная антенна круговой поляризации, включающая корпус с обтекателем, установленный на нем излучатель в виде платы, имеющей диэлектрическую подложку и выполненный на ее поверхности планарный симметричной формы относительно центральной оси антенный элемент, делитель на два, малошумящий усилитель и штыри связи, соединяющие последний с излучателем в двух точках, расположенных под углом 90° относительно центра излучателя [патент РФ №34806, кл. H01Q 1/00, опубл. 2003 г.]. Излучатель выполнен в виде диска.
Недостатком этого устройства является то, что осевая ДН может быть сформирована дисковым излучателем только на одной частоте.
Задачей предложенного технического решения является создание антенны круговой поляризации с двухчастотным режимом работы планарного типа с повышенной помехозащищенностью.
Поставленная задача решается тем, что в микрополосковой приемной активной антенне круговой поляризации, включающей корпус с обтекателем, установленный на нем излучатель в виде платы, имеющей диэлектрическую подложку и выполненный на ее поверхности планарный симметричной формы относительно центральной оси антенный элемент, делитель на два, малошумящий усилитель и штыри связи, соединяющие последний с излучателем в двух точках, расположенных под углом 90° относительно центра излучателя, плата излучателя снабжена вторым планарным антенным элементом в виде ленты, расположенной по контуру первого антенного элемента с зазором и соединенной с ним четырьмя полосковыми линиями, при этом второй антенный элемент имеет разрывы, в которых установлены сосредоточенные емкости, образующие вместе с сегментами элемента метаматериал, малошумящий усилитель расположен в корпусе под излучателем и выполнен в виде соединенных последовательно ограничительной диодной сборки, дуплексного фильтра, разделяющего усилительный тракт на два канала, по одному каскаду усиления в каждом канале, дуплексного фильтра и общего каскада усиления.
Целесообразно первый планарный антенный элемент выполнить любой из симметричных форм, например, круглой, квадратной, многоугольной.
Предпочтительно нижняя часть корпуса выполнить в виде экрана, соединенного с обтекателем.
Целесообразно первый элемент выполнить со щелями от периферии к центру, расположенными с одной из сторон от полосковых линий.
Выполнение конструкции двухдиапазонной антенны в виде метаматериала [Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы, В.Слюсар, ж. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 7/2009, стр.70-79] позволяет уменьшить габариты антенны, обеспечить синфазность токов во всех антенных элементах и достичь необходимой для работы делителя на два развязки выходов антенны (не менее 15 дБ) во всех рабочих диапазонах частот, что недостижимо другими конcтрукциями антенн.
На фиг.1 представлен вид сверху антенны.
На фиг.2 - вид сбоку антенны.
На фиг.3 - топология антенных элементов квадратной формы.
На фиг.4 - топология антенных элементов круглой формы
На фиг.5 - эквивалентная схема антенны.
На фиг.6 - эквивалентная схема двухдиапазонного антенного элемента с метаматериалом.
На фиг.7 - фотография предложенной антенны.
На фиг.8 - коэффициент стоячей волны (КСВ) входов антенного элемента.
На фиг.9 - КСВ выхода гибридного моста с антенным элементом.
На фиг.10 - коэффициэнт шума МШУ антенны.
На фиг.11 - зависимость коэффициента усиления двухдиапазонной активной антенны от частоты.
На фиг.12 - диаграмма направленности (ДН) двухдиапазонной антенны на частоте 1247 МГц.
На фиг.13 - ДН двухдиапазонной антенны на частоте 1600 МГц.
На фиг.14 - азимутальные зависимости поля излучения для частоты 1247 МГц.
На фиг.15 - азимутальные зависимости поля излучения для частоты 1600 МГц.
Микрополосковая приемная активная антенна круговой поляризации состоит из излучателя, включающего первый и второй планарные антенные элементы соответственно 1-2, полосковых линий 3, сосредоточенных емкостей 4, двух штырей связи 5, малошумящего усилителя 6, высокочастотного соединителя 7, экрана 8 и обтекателя 9 (фиг.1-2).
Возможные варианты топологий антенного элемента представлены на фиг.3-4. Излучатель антенны выполнен в виде платы, имеющей диэлектрическую подложку 10 и выполненные на ее поверхности пленарный симметричной формы относительно центральной оси (например, квадратной или круглой) первый антенный элемент 1 и второй планарный антенный элемент 2 в виде ленты, расположенной по контуру первого антенного элемента 1 с зазором и соединенной с ним четырьмя полосковыми линиями 3.
Второй антенный элемент 2 имеет разрывы, в которых установлены сосредоточенные емкости 4, образующие вместе с сегментами элемента 2 метаматериал.
Для обеспечения согласования и подстройки первого антенного элемента 1 в его топологии имеются четыре щели 11, отходящие от его краев к центру и расположенные с пространственным интервалом в 90° относительно центра МПА. Щели 11 обеспечивают симметрию при работе в режиме излучения или приема поля круговой поляризации. Щели 11 выполняют функцию согласования микрополосковой антенны с запитывающими штырями 5 и подстройки рабочей частоты первого антенного элемента 1.
Антенный элемент 2 соединен электрически с антенным элементом 1 с помощью четырех отрезков полосковых линий 3, которые расположены по одинаковым (правым или левым) сторонам четырех щелей 11.
Малошумящий усилитель (МШУ) 6 расположен в корпусе под излучателем (фиг.2). На входе МШУ 6 (фиг.5) включен широкополосный делитель на два 12, который служит для создания круговой поляризации поля излучения (приема) антенных элементов 1 и 2. Затем следует ограничительная диодная сборка 13 и дуплексный фильтр 14, разделяющий принятый сигнал на два канала. В каждом канале включен каскад усиления 15, затем расположен дуплексный фильтр 16, соединяющий два канала в один общий канал, в котором включен еще один каскад усиления 17. Применение двухканальной схемы в МШУ связано с необходимостью повышения помехозащищенности приемной активной антенны. Этой цели служат ограничительная диодная сборка и оба дуплексных фильтра.
Делитель на два 12 выполнен на связанных полосковых линиях и питает пару штырей 5, проходящих через отверстия в диэлектрической подложке 10 и подключенных к планарному антенному элементу 1 в точках, расположенных под углом 90° относительно центра МПА (для обеспечения излучения поля круговой поляризации) симметрично относительно центральной линии одной из щелей 11 (произвольной).
Напряжение питания в микрополосковую антенну подается через высокочастотный соединитель 7, установленный в проводящем экране 8.
Проводящий экран 8 служит для создания преимущественно однонаправленного излучения (приема) двухдиапазонной микрополосковой антенны. Экран 8 соединен с обтекателем 9.
Антенна работает следующим образом.
Принцип работы микрополосковой антенны хорошо известен и состоит в том, что при подаче высокочастотного сигнала на вход антенны в ней возбуждаются высокочастотные колебания определенного типа, а излучение осуществляется за счет поля, «выступающего» из кромок антенны, а именно из зазоров между печатным проводником антенного элемента и экранной плоскостью.
В каждом антенном элементе возможно возбуждение множества типов колебаний (мод), но только самая низшая из них формирует осевую ДН, высшие типы колебаний дают тороидальные ДН с провалом в осевом направлении. Низшими типами колебаний для простейших видов излучающих печатных проводников являются: мода ТМ10 для прямоугольного, мода ТМ11 для круглого и кольцевого антенного элемента. Для согласования антенного элемента 1 с питающим штырем 5 точку его подключения (точку питания) необходимо совместить с точкой, в которой входное сопротивление равно 50 Ом на центральной частоте диапазона. В рабочем диапазоне частот входное сопротивление становится комплексным, а диапазон согласования по заданному значению КСВн тем шире, чем толще диэлектрическая подложка 10.
1
1
В рассматриваемой микрополосковой антенне антенный элемент 2 выполнен по типу композитной кольцевой левовинтовой (векторы Е, Н, k образуют левую тройку векторов) передающей линии, образованной сосредоточенными емкостями C и индуктивностями L отрезков полосковых линий 3.
1
1
1
Сосредоточенные емкости C и индуктивности L образуют метаматериал, который может быть представлен в виде эквивалентной CL-цепочки [см. фиг.5 с эквивалентной схемой двухдиапазонной печатной антенны с внешним метаматериалоподобным кольцом]. Через планарный антенный элемент 1 индуктивности L защунтированы на основание антенны посредством большой емкости, образованной планарным антенным элементом 1 и экраном 8.
Запитка антенных элементов 1, 2 осуществляется от одного делителя на два 12 в двух точках со сдвигом фаз 90° во всех рабочих частотных диапазонах, что обеспечивает прием поля круговой поляризации. С этой целью делитель на два 12 выполняется на связанных полосковых линиях, что обеспечивает его широкополосность. Две точки запитки заявляемой МПА расположены на первом антенном элементе 1 симметрично относительно одной из щелей 11 и соединены с выходами делителя на два 12 с помощью двух штырей 5. Радиальное расстояние, на котором подключены штыри 5 к планарному антенному элементу 1, должно быть выбрано из условия импедансного согласования МПА с выходами делителя 12 на центральной частоте работы антенны.
r
Исходя из вышеописанных принципов была рассчитана и спроектирована навигационная антенна ГЛОНАСС/GPS (фиг.7). В конструкции антенных элементов 1-2 применена керамика МТ16 с ε=16. Размеры антенного элемента 1 составили 32 мм×32 мм×6 мм, размеры экрана 8 (-90 мм×90 мм. В качестве гибридного моста применен мост ХС 1400Р фирмы «Anaren», который включен на входе МШУ. В качестве фильтров - ПАВ-фильтры типа ФП-541-1247 и ФП-671-1592В.
Экспериментальные характеристики этой антенны приведены на фиг.8-15.
Из приведенных данных видно, что антенна имеет широкие ДН в обоих частотных диапазонах, что крайне важно для навигационной антенны. Азимутальные зависимости поля излучения в дальней зоне имеют симметричную форму.