КОМПАКТНАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ЭФФЕКТА МНОГОЛУЧЕВОГО ПРИЕМА СИГНАЛОВ С ИНТЕГРИРОВАННЫМ ПРИЕМНИКОМ
COMPACT ANTENNA SYSTEM FOR REDUCING MULTIBEAM SIGNAL RECEPTION EFFECT WITH INTEGRATED RECEIVER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к антеннам, и в частности к микрополосковым антеннам для глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS). Системы GNSS позволяют быстро определить свое местоположение с высокой точностью в любой точке земной поверхности вне зависимости от погодных условий.
Уровень техники
В настоящее время применение микрополосковых антенн (МПА) для GNSS требует обеспечения широкой полосы пропускания, что необходимо для обеспечения приема сигнала на двух различных частотах со спутников, принадлежащих различным системам позиционирования, таких как GPS, ГЛОНАСС, Galileo и др.
В известных микрополосковых антеннах есть ряд недостатков. В частности, при приеме сигналов от спутников в силу различной геометрии распространения сигнала и наличия отраженных сигналов от земли и различных объектов возникает эффект многолучевого приема сигнала. Так, полученный антенной сигнал представляет собой комбинацию прямого сигнала и отраженного сигнала. Наличие последнего приводит, искажению амплитуды и фазы принятого сигнала, что негативно сказывается на работе системы.
Для эффективной работы антенна должна обеспечивать в требуемой полосе частот ряд характеристик, таких как коэффициент стоячей волны (КСВ) и заданные свойства диаграммы направленности. Так, для оценки способности антенны подавлять отраженный от подстилающей поверхности сигнал применяют отношение down/up, т.е.
. Указанная характеристика D/U(θ) равна отношению уровня диаграммы направленности (ДН) в задней полусфере под каким-либо углом к уровню ДН в передней полусфере под зеркальным углом. На практике для оценки частотных свойств часто используется параметр D/U(θ) по углу 90°, который принято называть зенит D/U(90°).
Обычно для уменьшения эффекта многолучевого приема используют плоский экран больших размеров или применяют конструкции типа дроссельных колец (choke ring). Однако такие конструкции имеют большие габариты и вес.
Для уменьшения размеров антенной системы при сохранении коэффициента D/U(θ) по углу 90° в соответствующих пределах известно техническое решение WO 2004027920, опубл. 01.04.2004 - [1], в котором раскрыта антенная система GPS для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов. Такая антенна имеет достаточно эффективную конструкцию, которая позволяет уменьшить эффект многолучевого приема сигнала, а также обеспечить достаточную ширину полосы частот по КСВ, но не позволяет ее непосредственно устанавливать над поверхностью транспортного средства. Также в такой конструкции при заданных размерах относительно узкий диапазон рабочих частот, в котором обеспечивается подавление многолучевого сигнала по Down/Up 90°.
Для некоторых GNSS применений требуется устанавливать антенну с приемником на транспортное средство. Однако большинство существующих антенн спроектированы и разработаны для установки на геодезических стойках/треногах на некоторой высоте над подстилающейся поверхностью. В случае установки таких антенн вблизи проводящего корпуса транспортного средства или вплотную к нему эффективность работы экрана антенны уменьшается, что приводит к увеличению уровня многолучевых помех.
Для эффективной работы системы в целом необходимо обеспечить уменьшение многолучевых помех от проводящей поверхности транспортного средства. Таким образом, существует потребность в преодолении вышеуказанных проблем. Для этого предложена конструкция антенной системы, позволяющая, по сравнению с известной конструкцией [1], обеспечить возможность ее установки непосредственно на плоскую металлическую поверхность, например на крышу транспортного средства, обеспечивая при этом эффективное подавление многолучевого приема сигнала и возможность размещения навигационного приемника в отдельном уровне, который представляет собой замкнутую полость.
Также во втором варианте за счет использования особой конструкции нижнего антенного элемента и особенностей предложенных загнутых элементов на пластинках уменьшается общий вес антенны, поскольку не используется диэлектрик; а также обеспечивается дополнительное расширение полосы частот как по КСВ, так и по Down/Up 90°, простота изготовления и настройки антенны и возможность размещения внутри объема антенны дополнительного уровня с печатной платой МШУ.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предложена антенная система для приема радиосигнала, содержащая: верхний антенный элемент и соосно расположенный под ним нижний антенный элемент. Верхний антенный элемент состоит из: излучающей пластинки, расположенной противоположно и над экранирующей пластинкой, которая является экраном по отношению к излучающей пластинке, и системы возбуждения, оканчивающейся сигнальным портом, который предназначен для ввода/вывода радиосигналов, полученных упомянутой антенной системой.
Нижний антенный элемент состоит из экранирующей пластинки, под которой противоположно ей расположена пластинка, причем упомянутая экранирующая пластинка является экраном для этой пластинки. Нижний антенный элемент размещен так, что экранирующая пластинка верхнего антенного элемента располагается вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки нижнего антенного элемента. Таким образом, излучающая пластинка верхнего антенного элемента расположена ближе к экранирующей пластинке нижнего антенного элемента, чем к пластинке нижнего антенного элемента.
Нижний антенный элемент имеет аналогичную (зеркальную) конструкцию верхнего антенного элемента. При этом его габаритные размеры могут отличаться от размеров верхнего антенного элемента и определяются при настройке антенны.
Пластинка нижнего антенного элемента со стороны внешней поверхности размещена на проводящей замкнутой полости определенного размера, верхний антенный элемент непосредственно соединен с сигнальным портом, а нижний антенный элемент возбуждается путем электромагнитного взаимодействия с верхним антенным элементом.
В качестве системы возбуждения могут использоваться возбуждающие штыри, микрополосковые линии и т.д. Для создания линейной поляризации используют штыревой возбудитель. Для возбуждения круговой поляризации возбуждение излучающей пластинки осуществляют посредством системы возбуждения, состоящей, например, из: возбуждающих штырей и моста, который размещен, например, с внутренней стороны пластинок. Мост обеспечивает в широкой полосе частот необходимый фазовый сдвиг между выходными сигналами. Для круговой поляризации можно использовать два штыря, проходящих сквозь пластинки антенны и соединяющих выход моста с излучающей пластинкой - излучателем.
Следует отметить, что под сигнальным портом понимается местоположение, где радиосигналы, полученные антенной, доступны для использования, например в малошумящем усилителе или коаксиальном кабеле.
Верхний антенный элемент имеет сигнальный порт, который осуществляет электрическую взаимосвязь с ним, а в нижнем антенном элементе сигнальный порт отсутствует. Возбуждение верхнего антенного элемента осуществляется посредством штыря возбуждения. Нижний антенный элемент возбуждается путем электромагнитного взаимодействия с верхним антенным элементом. Таким образом, верхний и нижний антенные элементы имеют различную степень электромагнитного взаимодействия с сигнальным портом, причем эти соответствующие степени взаимодействия отличны друг от друга.
Подавление многолучевого сигнала в предложенной антенной системе осуществляется путем электромагнитного взаимодействия верхнего антенного элемента с нижним антенным элементом. Для этого их располагают на определенном расстоянии друг от друга. На нижнем элементе возникают наведенные токи, за счет настройки антенны поле этих токов в области нижней полусферы оказывается в противофазе с полем токов верхнего элемента. Таким образом, амплитуды полей токов в задней полусфере антенны вычитаются, тем самым уменьшая уровень ДН в задней полусфере, обеспечивая подавление отраженного многолучевого сигнала.
Как вариант используют, по меньшей мере, одну замкнутую полость определенного размера. Замкнутая полость представляет собой корпус, в котором размещают дополнительные элементы: схему обработки сигнала, например, приемник, датчики положения или угла наклона. Замкнутая полость имеет заданный габаритный размер от 1 до 5 габаритного размера пластинки нижнего антенного элемента.
Количество пристраиваемых к антенне полостей может быть различным, от одной до нескольких, и не влияет на рабочие характеристики антенной системы в целом. Для этого настройка антенны осуществляется при подключении и размещении одной замкнутой полости к пластинке нижнего антенного элемента.
Предложенная конструкция с замкнутыми полостями позволяет разместить антенную систему непосредственно со стороны нижней поверхности замкнутой полости на плоской проводящей поверхности, например на крыше транспортного средства.
Для уменьшения резонансного размера антенны пространство между излучающей пластинкой и экранирующей пластинкой нижнего и верхнего антенных элементов заполняют диэлектриком, уменьшающим длину волны в
раз, где ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, или используют замедляющую структуру в виде загнутых проводящих элементов, в качестве которых, как вариант, предложено использовать, по меньшей мере, с двух сторон или на двух противоположных краях пластинок верхнего и/или нижнего антенного элемента соответствующие емкостные элементы. Емкостные элементы выполнены в виде загнутых элементов. Загнутые элементы представляют загнутые внутрь конструкции антенны элементы пластинки в виде: ребер, или зубцов, или гребенок, или штырьков. Они имеют определенную поверхностную форму и площадь и расположены по краям периметра излучающей пластинки, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки, и/или второй экранирующей пластинки нижнего антенного элемента в различном их сочетании. Элементы загнуты так, чтобы располагаться вертикально или ортогонально по отношению к пластинкам, из которых они загнуты.
Антенная система обеспечивает заданную полосу частот в соответствующем диапазоне частот, при этом обеспечивается коэффициент Down/Up 90° меньше - 15 дБ.
В нижнем антенном элементе при использовании замедляющей структуры в виде загнутых проводящих элементов в пространстве между пластинкой и экранирующей пластинкой размещена дополнительная печатная плата со схемой обработки сигнала, например плата с МШУ или навигационный приемник, который может располагаться в защитном экране.
Также согласно изобретению предложена двухдиапазонная антенная система для приема радиосигнала, содержащая: двухдиапазонный верхний антенный элемент, под которым соосно с ним расположен двухдиапазонный нижний антенный элемент, каждый из которых выполнен в форме двухэтажерчатой конструкции.
Двухдиапазонный верхний антенный элемент состоит из: излучающей пластинки первого частотного диапазона, излучающей пластинки второго частотного диапазона, двух экранирующих пластинок первого и второго частотного диапазона, которые служат экраном для соответствующих излучающих пластинок, а также системы возбуждения. Излучающие и экранирующие пластинки для соответствующих диапазонов расположены противоположно и отделены друг от друга на определенное расстояние, которое определяется рабочим диапазоном частот. Каждая экранирующая пластинка соответствующего диапазона расположена под излучающей пластинкой своего диапазона. Так, верхняя излучающая пластинка первого диапазона расположена над экранирующей пластинкой для первого диапазона. Экранирующая пластинка первого диапазона размещена вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности нижней излучающей пластинки второго диапазона. Снизу нижней излучающей пластинки второго диапазона расположена ее экранирующая пластинка второго диапазона.
Система возбуждения для каждого диапазона состоит, в частности, из двух штырей возбуждения, которые соединяются посредством линии передачи со схемой деления мощности, которая оканчивается соответствующим сигнальным портом. Сигнальный порт предназначен для ввода/вывода сигналов соответствующих частотных диапазонов, полученных/переданных упомянутой антенной системой. Так, верхняя излучающая пластинка первого диапазона электрически соединена с первым сигнальным портом, а соответствующий ей нижний антенный элемент первого диапазона не соединен с первым сигнальным портом. В свою очередь нижняя излучающая пластинка второго диапазона электрически взаимосвязана и соединена со вторым сигнальным портом соответствующего второго диапазона. Нижний антенный элемент второго диапазона не соединен со вторым сигнальным портом.
Нижний двухдиапазонный антенный элемент имеет аналогичную конструкцию расположения пластинок по отношению к верхнему двухдиапазонному антенному элементу. Двухдиапазонный нижний антенный элемент состоит из: двух экранирующих пластинок второго и первого частотного диапазона, и пластинки второго частотного диапазона и пластинки первого частотного диапазона. Соответствующие пластинки и экранирующие пластинки для соответствующих диапазонов расположены противоположно и отделены друг от друга на определенное расстояние диэлектриком или воздухом при использовании замедляющей структуры в виде загнутых элементов. Указанное расстояние определяет рабочий диапазон частот антенны.
Причем под экранирующей пластинкой второго частотного диапазона размещена пластинка второго частотного диапазона. Пластинка второго частотного диапазона в свою очередь размещена вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки первого частотного диапазона. Снизу экранирующей пластинки первого частотного диапазона расположена нижняя пластинка первого частотного диапазона.
Двухдиапазонный верхний антенный элемент размещен на, по меньшей мере, части поверхности двухдиапазонного нижнего антенного элемента таким образом, что экранирующая пластинка для второго диапазона верхнего антенного элемента размещена вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки второго частотного диапазона нижнего антенного элемента. Причем пластинка (patch) нижнего антенного элемента первого диапазона со своей внешней стороны размещена на проводящей замкнутой полости.
Подавление многолучевого приема в такой антенной системе происходит за счет электромагнитного взаимодействия верхнего и нижнего антенных элементов соответствующего диапазона. Для этого их располагают на определенном расстоянии друг от друга. Таким образом, излучающая пластинка первого частотного диапазона верхнего антенного элемента и пластинка первого частотного диапазона нижнего антенного элемента имеют соответствующую и различную степень электромагнитного взаимодействия (связи) с первым сигнальным портом, причем эти степени взаимодействия отличны друг от друга. А излучающая пластинка второго частотного диапазона верхнего антенного элемента и пластинка второго частотного диапазона нижнего антенного элемента имеют свою соответствующую степень электромагнитного взаимодействия (связи) со вторым сигнальным портом, причем эти соответствующие степени взаимодействия отличны друг от друга.
Пространство между излучающей пластинкой и экранирующей пластинкой нижнего и верхнего антенных элементов каждого диапазона имеет замедляющую структуру, в качестве которой может использоваться: диэлектрик или замедляющая структура в виде эмкостных загнутых элементов, которые имеют различную комбинацию расположения на соответствующих пластинках.
Эти и другие конструктивные особенности и преимущества предложенного изобретения станут очевидными из детального описания вариантов конструкции, которое должно читаться совместно с сопроводительными чертежами.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает конструкцию известной антенной системы для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов.
Фиг.2a показывает общий вид установленной на плоской поверхности предложенной многоярусной двухдиапазонной широкополосной антенной системы, выполненной на диэлектрической подложке.
Фиг.2b показывает общий вид установленной на плоской поверхности однодиапазонной антенной системы с загнутыми элементами.
Фиг.2c показывает общий вид двухдиапазонной антенной системы с загнутыми элементами, установленной на плоской поверхности.
Фиг.3a-3c показывают варианты выполнения двухдиапазонной антенной системы с полостью, в которую встроен GPS/GNSS приемник.
Фиг.4 показывает вид в разрезе предложенной конструкции двухдиапазонной антенной системы с загнутыми элементами по краям пластинок.
Фиг.5 показывает ориентацию векторов E и H полей для случая, когда штырь возбуждения расположен на оси x.
Фиг.6 показывает конструкцию антенной системы линейной поляризации для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в расширенной полосе частот, в которой емкостные элементы выполнены в виде ребра длиной, равной длине пластинки b, и расположены вдоль Н-плоскости.
Фиг.6a-6h показывают антенную систему линейной поляризации с различными вариантами расположения ребер.
Фиг.7 показывает конструкцию широкополосной антенной системы линейной поляризации для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов, в которой емкостные элементы выполнены в виде набора раздельных элементов ребер длиной, меньшей, чем длина пластинки, и расположенных вдоль H-плоскости.
Фиг.7a-7k показывают антенную систему линейной поляризации с различными вариантами расположения раздельных емкостных элементов.
Фиг.8 показывает вид в поперечном разрезе однодиапазонной широкополосной антенной системы линейной поляризации для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов.
Фиг.9 показывает конструкцию антенной системы круговой поляризации для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в расширенной полосе частот, в которой емкостные элементы располагаются вдоль всего периметра пластинок.
Фиг.9a-9k показывают конструкцию предложенной антенной системы антенны круговой поляризации с различными вариантами расположения раздельных емкостных элементов.
Фиг.10 показывает график зависимости отношения Down/Up в полосе частот двух диапазонов L1 и L2 прототипа и предложенной конструкции двухдиапазонной антенной системы.
Подробное описание изобретения
Предложена конструкция антенной системы с интегрированным приемником, например GPS/Глонасс приемником, которая обеспечивает уменьшение эффекта многолучевого приема сигналов в широкой полосе частот при непосредственной ее установке на плоскую проводящую поверхность. Излучающая пластинка и экранирующая пластинка верхнего антенного элемента отделены друг от друга на определенное расстояние. Система возбуждения формирует в верхнем антенном элементе высокочастотные колебания определенного типа. Для уменьшения резонансного размера предложено использовать диэлектрическое основание или загнутые емкостные элементы, расположенные по краям пластинок. Для этого пластинка нижнего антенного элемента соответственно отделена от экранирующей пластинки нижнего антенного элемента диэлектрической подложкой определенной высоты. Как вариант на краях пластинок может быть выполнена замедляющая структура в форме загнутых проводящих элементов, которые имеют различную форму и варианты загиба и расположения по краям пластинок.
Так, емкостные элементы выполнены на верхнем антенном элементе и нижнем антенном элементе. Таким образом, загнутые элементы расположены, по меньшей мере, по двум краям излучающей пластинки и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента. Также загнутые элементы расположены, по меньшей мере, по двум краям пластинки и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента.
Также на фиг.2a-2b предложен вариант выполнения соответственно компактной одно- и двухдиапазонной антенной системы для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов со встроенным навигационным приемником, размещенным в замкнутой полости, которая образует тем самым пластинку нижнего антенного элемента. Пластинка нижнего антенного элемента совмещена с верхней поверхностью первой замкнутой полости - корпуса, так что корпус становится частью нижнего антенного элемента диапазона L1. При этом резонансный размер этого антенного элемента определяется диаметром первой полости, заключенной между верхней поверхностью корпуса и излучающей пластинкой нижнего антенного элемента диапазона L2.
Пластинка 8 нижнего антенного элемента первого диапазона 60 выполнена в виде объемной замкнутой полости, в которой размещают дополнительные конструктивные элементы, в частности GPS приемник 29, оптические датчики положения и другие элементы. Со стороны верхней поверхности 8а замкнутой полости 8, которая расположена противоположно экранирующей пластинке 7 нижнего антенного элемента 60 первого диапазона, выполнены емкостные элементы 3b'. Емкостные элементы 3b могут быть выполнены как по краям, так и по соответствующему периметру от края замкнутой полости 8. Форма и расположение емкостных элементов 3b соответствуют вышеописанным вариантам фиг.6a-9k. На фиг.2a показан вариант с использованием замедляющей структуры в виде диэлектрической подложки 3c.
Аналогично и для однодиапазонной антенной системы пластинка 10 нижнего антенного элемента 40 выполняется в виде объемной замкнутой полости 10, в которой размещают дополнительные элементы, например навигационный приемник 29. Емкостные элементы 3b выполнены на поверхности 10a замкнутой полости 10. Поверхность 10a расположена противоположно и под экранирующей пластинкой 9 нижнего антенного элемента 40.
Опционально используется несколько, от одного и более, модулей замкнутых полостей 8. Для этого настраивают антенную систему при подключении одной верхней замкнутой полости к пластинке нижнего антенного элемента.
Количество пристраиваемых к антенне полостей может быть различным, от одной до нескольких, и не влияет на рабочие характеристики антенной системы в целом. Для этого настройка антенны осуществляется при подключении и размещении одной замкнутой полости к пластинке нижнего антенного элемента. При выборе габаритного размера замкнутой полости его соотносят с размерами других элементов антенной системы.
1) Если антенна предназначена для установки на выносной опоре с возможностью подключения снизу дополнительных полостей, то габаритный размер первой полости может быть меньше размера экранирующей пластинки нижнего антенного элемента (фигура 3c). При этом размер дополнительно подключаемых полостей не должен быть больше размера первой полости.
2) Если антенну устанавливают вплотную к проводящей поверхности без перенастройки (с дополнительными полостями или без), то габаритный размер первой полости должен быть равным или большим размеру экранирующей пластинки нижнего антенного элемента (фигуры 3a-3b). Дополнительные полости размещают друг под другом в виде многоярусной конструкции, при этом количество и габаритный размер не влияют на работу антенной системы в целом и в частности, на подавление многолучевого сигнала.
Частотный диапазон, в котором осуществляется подавление многолучевости, определяется нижним антенным элементом. Подстройку частоты выполняют путем изменения взаимного перекрытия между встречными плоскими штырями при неизменном габарите пластинок. В случае с диэлектриком изменяют его диэлектрическую проницаемость.
На фиг.2a показан вариант с двумя замкнутыми полостями 8 и 8c. Использование таких замкнутых полостей позволяет разместить в каждой из них дополнительные элементы обработки сигнала и различные датчики 29a-b. Два смежных модуля полости могут иметь одну общую нижнюю поверхность 8b.
Такое выполнение антенной системы позволяет непосредственно устанавливать антенную систему со стороны нижней поверхности 8b или 10b нижней полости 8 или полости 10 на плоскую поверхность 100, например на крышу транспортного средства, при этом сохраняя в расширенной полосе частот свойства подавления многолучевого сигнала без дополнительной перестройки антенной системы.
gp
L2
На фиг.3a показан вариант когда габаритный размер корпуса D может составлять от 1 до 5 размеров D пластинки нижнего антенного элемента L2 диапазона.
gp
L2
На фиг.3b показан вариант, когда размер корпуса D соответствует размеру D пластинки нижнего антенного элемента L2 диапазона.
gp
L1
На фиг.3c показан вариант, когда корпус имеет уменьшенный поперечный размер D до размеров D пластинки нижнего антенного элемента диапазона L1.
Для обеспечения работы антенны в режиме линейной поляризации загнутые элементы выполнены в виде: ребер заданной протяженности, которые распложены вдоль краев излучающей пластинки верхнего антенного элемента параллельно Н-плоскости, а также ребер вдоль соответствующих краев экранирующей пластинки верхнего антенного элемента параллельно Н-плоскости. Для нижнего антенного элемента ребра расположены вдоль краев пластинки и экранирующей пластинки нижнего антенного элемента, симметрично Н-плоскости, т.е. вдоль оси у, как проиллюстрировано на фиг.6, 6a-6h. Как вариант, емкостные элементы выполнены как раздельные ребра, представляющие собой набор более коротких отдельных ребер - гребенок, как показано на фиг.7, 7a-7k. При этом длина этих элементов, их высота и количество определяют общую эквивалентную емкость. Причем для уменьшения резонансного размера антенны необходимо обеспечить большую площадь перекрытия элементов со стороны излучающей пластинки и экранирующей пластинки. Соответственно, наименьший резонансный размер дает конструкция антенной системы со сплошным ребром, показанная на фиг.6, 6a-6h.
Предложенные варианты выполнения на пластинках соответствующих загибов позволяют расширить полосу пропускания антенны и использовать при этом всю поверхность излучающей пластинки для установки на них других элементов конструкции.
Для круговой поляризации емкостные элементы должны быть выполнены как раздельные ребра - гребенки, как проиллюстрировано на фиг.9.
Система возбуждения антенны может быть выполнена в виде: полосковых линий, коаксиального кабеля и другим известным специалисту способом. Так, для создания линейной поляризации можно использовать штыревой возбудитель. Для возбуждения круговой поляризации используют различные схемы возбуждения, например через по меньшей мере один штырь возбуждения, подключенный к делителю (мосту).
В варианте на фиг.6 предложена конструкция антенной системы линейной поляризации, в которой емкостные элементы расположены вдоль Н-плоскости, т.е. оси y. Вдоль Е-плоскости, т.е. оси x, емкостные элементы отсутствуют. Конструктивные элементы, которые поддерживают излучающую пластинку над экраном, на этих фигурах не показаны. Это могут быть, например, тонкие изолирующие проставки, не вносящие существенных изменений в электрические характеристики антенны.
Антенная система содержит: экранирующую пластинку 601 верхнего антенного элемента, сверху которой на определенном расстоянии от нее расположена излучающая пластинка 602 верхнего антенного элемента, которая возбуждается с помощью коаксиального кабеля или штыря 604, а также экранирующую пластинку 605 нижнего антенного элемента, снизу которой располагается пластинка 606 нижнего антенного элемента. Первая экранирующая пластинка 601 размещена на, по меньшей мере, части поверхности второй экранирующей пластинки 605.
Для обеспечения требуемой рабочей полосы частот объем резонатора электромагнитных колебаний, т.е. объем, заключенный между излучающей пластинкой и экранирующей пластинкой, заполняют диэлектриком. Диэлектрическую подложку размещают на экранирующей пластинке, а сверху подложки размещают излучающую пластинку.
Как вариант замедляющая структура антенны выполнена в виде расположенных на торцах - двух противоположных краях излучающей пластинки 602 и/или двух противоположных краях экранирующей пластинки 601 (не показано) - отдельно расположенных друг от друга и загнутых внутрь антенны вертикальных ребер 603. Длина ребер 603 равна или короче длины пластинок, на которых они загнуты, а плоскость и линия расположения каждого упомянутого ребра соответствуют и расположены вдоль H-плоскости антенны. Загнутые на пластинках ребра имеют определенную высоту от основания пластинки. Высота ребра как вариант должна обеспечивать зазор между этим ребром и противоположной пластинкой или ее ребром.
На двух противоположных краях экранирующей пластинки 605 и/или двух противоположных краях пластинки нижнего антенного элемента 606 выполнены отдельно расположенные и загнутые внутрь антенны вертикальные ребра 607. Ребра имеют определенную высоту. Плоскость и линия расположения каждого упомянутого ребра (607) расположены вдоль оси у и соответствуют H-плоскости. Длина b ребер 603, 607 равна длине пластинок, но не ограничена этим, она может быть и короче длины пластинок.
На фиг.6a-6h показаны различные комбинации расположения загнутых ребер, выполненные на окончании соответствующих пластинок антенны. Ребра расположены соответственно вдоль H-плоскости для верхнего антенного элемента, а для нижнего антенного элемента ребра симметричны ребрам верхнего антенного элемента.
На фигурах 6a-6h, 7a-7k, 9a-9k показано, что нижний антенный элемент имеет равные размеры с верхним антенным элементом.
Для обеспечения лучшей характеристики отношения Down/Up размер пластинок нижнего антенного элемента имеет отношение к размеру пластинок верхнего антенного элемента порядка от 1 до 3.5, как показано на фиг.6, 7, т.е. экранирующая пластинка нижнего антенного элемента может быть выполнена более протяженной, чем экранирующая пластинка верхнего антенного элемента. Однако размеры антенны не ограничены указанными соотношения, в том числе размер пластинок верхнего антенного элемента может быть больше размера пластинок нижнего антенного элемента.
На фиг.6a показана антенная система, содержащая: верхний антенный элемент и нижний антенный элемент, расположенный симметрично верхнему антенному элементу и под ним. Причем по двум краям излучающей пластинки верхнего антенного элемента и по двум краям пластинки нижнего антенного элемента выполнены вертикальные ребра. Ребра соответственно загнуты вертикально вниз и вертикально вверх внутрь конструкции антенны по направлению друг к другу. Экранирующая пластинка верхнего антенного элемента и экранирующая пластинка нижнего антенного элемента представляют собой плоскую проводящую пластинку без загиба ребер.
На фиг.6b показана антенная система с вертикальными ребрами, расположенными по краям экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенных элементов. Ребра загнуты на упомянутых пластинках так, чтобы располагаться вертикально по отношению к основанию своих пластинок.
На фиг.6c показана антенная система с вертикальными ребрами, загнутыми по краям всех пластинок верхнего и нижнего антенных элементов. Ребра расположены противоположно друг другу и тем самым они отделены друг от друга в плоскости их расположения на определенное расстояние. Длина экранирующей пластинки меньше длины пластинки или излучающей пластинки. Ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и ребра пластинки нижнего антенного элемента расположены снаружи ребер и на определенном расстоянии от соответствующих им экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенных элементов.
На фиг.6d показана антенная система, в которой загнутые внутрь конструкции ребра экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенных элементов расположены снаружи противоположных им ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента.
На фиг.6e показана антенная система, в которой ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента выполнены загнутыми вертикально внутрь антенны и расположены снаружи противоположных им ребер экранирующих пластинок. Ребра экранирующих пластинок от основания пластинок сначала загнуты вертикально таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть их поверхности была противоположна поверхности загнутых вертикальных ребер соответственно излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента. Далее загнутые ребра экранирующих пластинок продолжены и загнуты соответственно внутрь объема верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента. Они загнуты далее горизонтально так, чтобы располагаться на определенном расстоянии от противоположной излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента.
На фиг.6f показана антенная система, в которой ребра экранирующих пластинок выполнены загнутыми вертикально и расположены снаружи противоположных им ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента. Ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента от их основания сначала загнуты внутрь конструкции. Далее ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента продолжены и загнуты соответственно внутрь объема верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента. Ребра загнуты далее горизонтально на определенную длину так, чтобы располагаться на определенном расстоянии от противоположной экранирующей пластинки.
На фиг.6g показана антенная система, в которой соответствующие ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположены снаружи вертикальных ребер экранирующих пластинок. Ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента продолжены и далее загнуты соответственно наружу конструкции антенны и располагаются на определенном протяжении противоположно соответственно экранирующей пластинке верхнего антенного элемента и экранирующей пластинке нижнего антенного.
На фиг.6h показана антенная система, в которой соответствующие ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположены снаружи ребер экранирующих пластинок. Ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента продолжены и далее загнуты соответственно наружу конструкции антенны так, чтобы располагаться на определенном протяжении противоположно соответствующей экранирующей пластинке. Ребра экранирующих пластинок далее загнуты внутрь объема конструкции, так чтобы располагаться на определенном протяжении противоположно соответствующей излучающей пластинке верхнего антенного элемента и пластинке нижнего антенного элемента.
Во втором варианте на фиг.7 предложена конструкция антенной системы линейной поляризации, в которой емкостные элементы расположены вдоль H-плоскости, а вдоль Е-плоскости емкостные элементы отсутствуют.
Антенная система содержит верхний антенный элемент и соосно расположенный под ним нижний антенный элемент.
Верхний антенный элемент состоит из: экранирующей пластинки 701, сверху которой на определенном расстоянии от нее расположена излучающая пластинка 702, которая возбуждается с помощью коаксиальной линии или штыря 704. Емкостные элементы выполнены на двух краях излучающей пластинки 702 и/или на двух краях экранирующей пластинки 701 (не показано). Емкостные элементы выполнены в виде гребенок, т.е. отдельно расположенного периодического набора элементов ребер 703. Гребенки экранирующей пластинки и излучающей пластинки загнуты внутрь конструкции, по сути, вертикально по отношению к пластинкам, из которых они загнуты.
Нижний антенный элемент выполнен зеркально конструкции верхнего антенного элемента и состоит соответственно: из второй экранирующей пластинки 705, под которой располагается пластинка 706. На двух краях второй экранирующей пластинки 705 и/или двух краях пластинки 706 выполнен набор вертикальных элементов ребер - гребенок 707. Гребенки 707 загнуты внутрь конструкции нижнего антенного элемента, по сути, вертикально по отношению к пластинкам из которых они загнуты. Для обеспечения максимальной полосы частот антенной системы расстояние d между элементами периодической системы раздельных ребер (отдельными штырьками, зубцами, ребрами) должно составлять более 0.1 от ширины w элемента гребенки (одного штырька), но не ограничено этим. Каждый элемент гребенки имеет определенную высоту 1 от основания пластинки, из которого он загнут.
На фиг.7a-8k показаны различные комбинации расположения раздельных ребер, выполненных на соответствующих пластинках верхнего и нижнего антенных элементов. Раздельные ребра расположены соответственно вдоль H-плоскости для верхнего антенного элемента, а для нижнего антенного элемента соответственно симметрично ребрам верхнего антенного элемента.
На фиг.7a показана антенная система, в которой раздельные ребра - гребенки, расположены по двум краям излучающей пластинки верхнего и пластинки нижнего антенных элементов. Отдельные емкостные элементы раздельных ребер загнуты вертикально. Элементы излучающей пластинки верхнего антенного элемента загнуты вертикально вниз, а емкостные элементы пластинки нижнего антенного элемента - вертикально вверх внутрь конструкции антенны по направлению друг к другу. На экранирующих пластинках емкостные элементы отсутствуют.
На фиг.7b показана антенная система, в которой на экранирующих пластинках верхнего и нижнего антенных элементов емкостные элементы соответственно загнуты вертикально вверх и вниз. Емкостные элементы загнуты на упомянутых пластинках так, чтобы располагаться вертикально по отношению к основанию своих пластинок, из которых они загнуты.
На фиг.7c показана антенная система с вертикальными емкостными элементами, загнутыми из краев всех пластинок верхнего и нижнего антенных элементов.
Загнутые емкостные элементы излучающей пластинки верхнего антенного элемента и ее экранирующей пластинки загнуты внутрь конструкции и расположены противоположно друг другу. Соответственно емкостные элементы пластинки нижнего антенного элемента и ее экранирующей пластинки также загнуты внутрь и расположены противоположно друг другу. Емкостные элементы излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположены соответственно снаружи емкостных элементов их экранирующих пластинок. Каждый элемент раздельных ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и расположенный противоположно ему элемент раздельного ребра экранирующей пластинки верхнего антенного элемента образуют соответствующую область перекрытия. Аналогично и для емкостных элементов нижнего антенного элемента.
На фиг.7d показана антенная система, в которой загнутые внутрь конструкции емкостные элементы экранирующих пластинок верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента расположены снаружи соответствующих емкостных элементов излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента.
На фиг.7e показана антенная система, в которой раздельные ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположены снаружи раздельных ребер экранирующих пластинок соответственно верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента. Каждый емкостной элемент ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента или пластинки нижнего антенного элемента и расположенный противоположно ему соответствующей элемент ребра экранирующей пластинки выполнены так, чтобы быть смещенными относительно друг друга по линии их расположения на определенное расстояние. Область перекрытия формируется только частью поверхности емкостных элементов. Общая емкость определяется набором областей перекрытия для всех элементов раздельных ребер.
На фиг.7f показана антенная система, в которой раздельные ребра экранирующих пластинок верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента расположены снаружи раздельных ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента. Каждый загнутый емкостной элемент соответствующей пластинки смещен относительно элемента противоположной пластинки по линии их расположения на определенное расстояние.
На фиг.7g показана антенная система, в которой раздельные ребра выполнены в одной плоскости, на одной линии расположения на всех пластинках верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента. Для верхнего антенного элемента раздельные ребра загнуты по краям излучающей пластинки и расположены в промежутках раздельных ребер экранирующей пластинки. Для нижнего антенного элемента раздельные ребра загнуты по краям пластинки и расположены в промежутках раздельных ребер его экранирующей пластинки.
На фиг.7h показана антенная система, в которой раздельные ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположены соответственно снаружи раздельных ребер экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенных элементов. Элементы ребер экранирующих пластинок от их основания сначала загнуты внутрь конструкции таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть их поверхности была противоположна поверхности вертикально загнутых элементов излучающей пластинки верхнего и соответственно пластинки нижнего антенных элементов. Далее элементы ребер экранирующих пластинок продолжены и загнуты, чтобы оканчиваться соответственно внутри объема верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента, причем они загнуты так, чтобы располагаться на определенном расстоянии вдоль пластинок соответственно верхнего и нижнего антенных элементов.
На фиг.7i показана антенная система, в которой раздельные ребра экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенных элементов расположены снаружи соответственно раздельных ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента. Элементы ребер излучающей пластинки верхнего и соответственно пластинки нижнего антенных элементов сначала загнуты внутрь конструкции таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть их поверхности была противоположна поверхности загнутых элементов экранирующих пластинок. Далее элементы излучающей пластинки верхнего и соответственно пластинки нижнего антенных элементов продолжены и загнуты, чтобы оканчиваться соответственно внутри объема антенны, причем они загнуты так, чтобы располагаться вдоль пластинок соответственно верхнего и нижнего антенных элементов.
На фиг.7j показана антенная система, в которой раздельные ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположены снаружи соответственно раздельных ребер экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенных элементов. Элементы на экранирующих пластинках выполнены загнутыми на определенное расстояние вертикально вверх. Загнутые элементы излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента продолжены и далее загнуты соответственно наружу конструкции антенны так, чтобы располагаться вдоль экранирующих пластинок соответственно верхнего и нижнего антенных элементов.
На фиг.7k антенная система, в которой раздельные ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположены снаружи соответственно раздельных ребер экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенных элементов. Элементы ребер загнуты на экранирующих пластинках, выполнены далее внутрь объема конструкции, так чтобы располагаться на определенном расстоянии вдоль противоположной соответствующей излучающей пластинки или пластинки. Загнутые элементы излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента продолжены и далее загнуты соответственно наружу конструкции антенны так, чтобы располагаться вдоль экранирующих пластинок соответственно верхнего и нижнего антенных элементов.
На фиг.8 показана однодиапазонная широкополосная антенная система для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в расширенной полосе частот, состоящая из: верхнего антенного элемента и соосно расположенного под ним нижнего антенного элемента, сигнального порта, размещенного в объеме верхнего антенного элемента и предназначенного для ввода/вывода радиосигналов, полученных упомянутой антенной, а также системы возбуждения.
Верхний антенный элемент 30 состоит из излучающей пластинки 13 и проводящей экранирующей пластинки 14, которые отделены друг от друга на определенное расстояние воздушным пространством. Пластинки 13, 14 по двум противоположным сторонам или краям выполнены загнутыми внутрь себя так, чтобы загибы имели форму вертикальных элементов, например ребер 3a. Ребра 3a располагаются вертикально (или ортогонально) по отношению к пластинкам, из которых они загнуты, а также и к противоположным им пластинкам.
Загнутые ребра 3 не обязательно должны быть ортогональны к излучающей пластинке. Они предпочтительно должны быть расположены вертикально по отношению к пластинке. Более точно их размер и расположение под определенным углом по отношению к пластинкам определяются при настройке антенны. Загнутые ребра имеют поперечный размер и могут быть штырьками, в частности и цилиндрической формы.
Экранирующая пластинка 14 размещена на части поверхности экранирующей пластинки 9 и соосно с ней. Верхний антенный элемент имеет сигнальный порт, который осуществляет электрическую взаимосвязь с ним, а в нижнем антенном элементе сигнальный порт отсутствует. Возбуждение верхнего антенного элемента осуществляется посредством штыря возбуждения.
Нижний антенный элемент 40 расположен симметрично верхнему антенному элементу 30 и под ним. Нижний антенный элемент 40 состоит из плоской пластинки 10 и экранирующей ее пластинки 9, которые отделены друг от друга на определенное расстояние воздушным пространством. При этом на нижнем антенном элементе возникают наведенные токи. За счет заданных размеров пластинок 10, 9 и их расположения относительно друг друга на определенном расстоянии поле этих токов в области нижней полусферы оказывается в противофазе с полем токов верхнего антенного элемента. Таким образом, амплитуды полей токов в задней полусфере антенны вычитаются, тем самым уменьшая уровень ДН в задней полусфере, т.е. осуществляется подавление отраженного многолучевого сигнала. На краях пластинок 9, 10 выполнены емкостные элементы. Емкостные элементы имеют форму коротких загнутых элементов, например, в виде вертикальных ребер 3b. Ребра 3b загнуты в объем нижнего антенного элемента и расположены преимущественно вертикально (или ортогонально) по отношению к пластинкам, из которых они загнуты, а также и к противоположным им пластинкам. Нижний антенный элемент возбуждается путем электромагнитного взаимодействия посредством верхнего антенного элемента. Таким образом, верхний и нижний антенные элементы имеют различную степень электромагнитного взаимодействия с сигнальным портом, причем эти соответствующие степени взаимодействия отличны друг от друга.
Позицией 15 показаны штыри возбуждения, позиция 16 - выходной разъем, позиция 17 - коаксиальный кабель питания 18, позиция 3' - область перекрытия, сформированная емкостными элементами, расположенными по двум краям пластинок верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента. Как вариант, емкостные элементы могут располагать только на одной пластинке верхнего или нижнего антенного элемента или в различном их сочетании. Емкостные элементы могут быть выполнены по всей длине пластинки или ее части в виде ребер определенной длины или раздельного набора элементов ребер - гребенок различной поверхностной формы, так что область перекрытия 3' имеет максимальную площадь.
Нижний антенный элемент 40 не соединен с сигнальным портом 28. Нижний антенный элемент 40 настроен так, чтобы его резонансная частота была близка к резонансной частоте верхнего антенного элемента 30. Для GPS L1-полосы и L2-полосы резонансная частота нижнего антенного элемента 40 должна быть предпочтительно в пределах- 60 МГц к +60 МГц рабочей частоты верхнего антенного элемента 30, т.е. -5% - +5% от центральной частоты.
Резонансная частота нижнего антенного элемента 40 может быть измерена с помощью установленного в нем вспомогательного зонда и определения входного полного сопротивления, используя функцию частоты возбуждения, измеренную на коаксиальном выходе зонда. В процессе этих измерений должен быть удален верхний антенный элемент. Частота, на которой имеется максимум в действительной части входного полного сопротивления, указывает на резонансную частоту. Окончательную настройку размера пластинок нижнего антенного элемента осуществляют в процессе минимизации отношения Down/Up. Для этого в безэховой камере измеряют распределение значения отношения Down/Up в зависимости от частоты для верхнего и нижнего антенных элементов, и немного изменяя расположение загнутых ребер нижнего антенного элемента относительно друг друга или их расположение относительно основания пластинок или изменяя размер поверхности ребер, смещают минимум отношения Down/Up к требуемой частоте.
Для реализации функционирования микрополосковой антенной системы в режиме круговой поляризации предлагается структура емкостных элементов, расположенных с некоторым шагом по всему периметру излучающих пластинок 902, и/или экранирующих пластинок 901 верхнего антенного элемента, и/или пластинок 907, и/или экранирующих пластинок 906 нижнего антенного элемента.
Режим круговой поляризации обеспечивают возбуждением поля двух ортогонально ориентированных в пространстве линейных поляризаций посредством системы возбуждения, например, двух штырей 904, 905 и расположением емкостных элементов в виде по всему периметру пластинок. Как показано на фиг.9, гребенки 903a и 903b расположены по периметру излучающей пластинки 902 верхнего антенного элемента. При этом элементы, которые для одной поляризации располагались вдоль Н-плоскости, для ортогональной поляризации окажутся расположенными вдоль Е-плоскости, и наоборот. Например, для поля линейной поляризации, возбуждаемого штырем 904, элементы которого расположены вдоль оси у, будут расположены в Н-плоскости, а для поля, возбуждаемого штырем 905, элементы окажутся расположенными в Е-плоскости. Нижний антенный элемент выполнен зеркально конструкции верхнего антенного элемента и состоит соответственно: из экранирующей пластинки 906, снизу которой располагается пластинка 907. Причем экранирующая пластинка 901 верхнего антенного элемента размещена на, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки 906 нижнего антенного элемента. По всему периметру пластинки 907 нижнего антенного элемента выполнены емкостные элементы - гребенки 908. Плоскость и линия расположения емкостных элементов 908 соответствуют плоскости и линии расположения емкостных элементов 903.
Для антенны, работающей в режиме круговой поляризации, нельзя определить E- и H-плоскость, так как векторы электрического и магнитного полей имеют разную пространственную ориентацию в разные моменты времени, а именно они вращаются. (Более подробно описано в LO Y.T., LEE S.W., Antenna Handbook, Chapman&Hall, Vol.I, Antenna fundamentals and mathematical techniques, New York 1993 [2].) Определения и пояснения фиг.5 касаются только антенны линейной поляризации, причем для случая, когда питающий штырь расположен так, как показано на фиг.6, 7, а именно штырь 604 и 704 смещен относительно центра конструкции по оси x и не смещен по оси y. В этом случае возбуждается поле линейной поляризации, причем вектор электрического поля Е параллелен оси x, а вектор магнитного поля Н параллелен оси y. Поле круговой поляризации является суммой полей двух линейных поляризации, ортогональных между собой и сдвинутых по фазе на 90°. Для возбуждения таких полей используются два штыря 905 и 904, причем 904 смещен относительно центра вдоль оси x, а 905 вдоль оси y. Плоскость xz для поля, возбуждаемого штырем 904, будет являться Е-плоскостью, а для поля, возбуждаемого штырем 905, H-плоскостью. Поэтому для поля, возбуждаемого, например, штырем 904 элементы 903a расположены вдоль вектора магнитного поля, т.е. в плоскости Н, а элементы 903b расположены вдоль вектора электрического поля, т.е. в плоскости Е. Аналогично для поля, возбуждаемого штырем 905, элементы 903a расположены вдоль вектора электрического поля, т.е. в плоскости Е, а элементы 903b расположены вдоль вектора магнитного поля, т.е. в плоскости H.
В соответствии с вышеизложенным описанием для обеспечения режима круговой поляризации, что особенно важно для применения в GSSN приложениях, необходимо в излучателях круговой поляризации возбудить два ортогональных типа колебаний (продольных и поперечных колебаний с токами, параллельными оси x и y, и фазовым сдвигом 90°), например, с помощью двух ортогональных штырей возбуждения. Для этого предложена конструкция антенной системы круговой поляризации, в которой емкостные элементы выполнены в виде раздельных ребер, таких как гребенки, отдельные штырьки высотой l, преимущественно меньшей, чем длина пластинки, из которой они загнуты. Емкостные элементы расположены по периметру антенны, т.е. вдоль оси x и оси y, на излучающей пластинке 902, и/или экранирующей пластинке 901 верхнего антенного элемента, и/или пластинках 907, и/или экранирующих пластинках 906 нижнего антенного элемента.
При реализации антенны круговой поляризации (фиг.9а-9g) возможны варианты выполнения набора отдельных ребер в виде гребенок, зубцов или штырьков. Для этого их располагают по всему периметру антенны как вдоль оси x, так и вдоль оси y, аналогично описанному выше второму варианту конструкции. В антенной системе с круговой поляризации все пластинки предпочтительно выполнять в форме круга, квадрата.
На фиг.2a, 2c показана в разрезе двухдиапазонная широкополосная антенная система для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в широкой полосе частот.
Двухдиапазонная антенная система для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов имеет этажерчатую конструкцию, в которой как вариант антенна более высокого частотного (ВЧ) диапазона расположена над антенной с более низким диапазоном (НЧ), но может быть и наоборот. Для этого на верхнем антенном элементе второго диапазона располагают излучатель первого диапазона, причем излучающая пластинка второго диапазона является экраном для излучающей пластинки первого диапазона.
Антенная система включает верхний антенный элемент первого ВЧ диапазона 50 и верхний антенный элемент второго НЧ диапазона 30, а также соответствующие им нижний антенный элемент первого 60 и второго диапазонов 40. Излучающая пластина 13 первого диапазона размещена над излучающей пластиной 11 второго диапазона. Экранирующая пластина 14 первого диапазона отделена воздушным пространством от излучающей пластинки 13 первого диапазона и расположена на поверхности излучающей пластинки 11 второго диапазона. Излучающая пластинка 11 второго диапазона отделена воздушным пространством от экранирующей пластинки 12 второго диапазона, которая в свою очередь размещена на части поверхности экранирующей пластины 9 нижнего антенного элемента второго диапазона.
Нижний антенный элемент первого диапазона содержит: экранирующую пластину 7 и пластинку 8, которые расположены противоположно друг другу и отделены воздушным пространством друг от друга на определенное расстояние. Нижний антенный элемент второго диапазона содержит: экранирующую пластину 9 и пластинку 10, которые расположены противоположно друг другу и отделены воздушным пространством друг от друга на определенное расстояние.
Пластинка 10 нижнего антенного элемента второго диапазона размещена на поверхности экранирующей пластины 7 нижнего антенного элемента первого диапазона. Следует отметить, что пластинка 10 располагается ближе к экранирующей пластинке 12 верхнего антенного элемента второго диапазона, чем пластинка 8 к экранирующей пластинке 14 верхнего антенного элемента второго диапазона. Излучающая пластинка 13 верхнего антенного элемента первого диапазона электрически взаимосвязана и соединена с первым сигнальным портом, а соответствующая ей по диапазону пластинка 8 нижнего антенного элемента первого диапазона не соединена с сигнальным портом. В свою очередь излучающая пластинка 11 электрически взаимосвязана и соединена со вторым сигнальным портом, а соответствующая ей по диапазону пластинка 10 не соединена с сигнальным портом. Объем резонатора электромагнитных колебаний заполняют диэлектриком 3c или используют загнутые элементы 3 по краям пластинок.
Подавление многолучевого сигнала осуществляют путем электромагнитного взаимодействия излучающей пластинки верхнего антенного элемента соответствующего диапазона с пластинкой нижнего антенного элемента соответствующего диапазона и определяется за счет их расположения на определенном расстоянии друг от друга. Таким образом, излучающая пластинка первого диапазона верхнего антенного элемента и пластинка первого диапазона нижнего антенного элемента имеют различную степень (величину) электромагнитного взаимодействия с первым сигнальным портом, причем эти степени взаимодействия неравны друг другу. Излучающая пластинка второго диапазона верхнего антенного элемента и пластинка второго диапазона нижнего антенного элемента также имеют различную степень электромагнитного взаимодействия со вторым сигнальным портом, причем эти степени взаимодействия неравны.
По периметру краев основания всех упомянутых пластин двухдиапазонной широкополосной антенной системы круговой поляризации выполнены емкостные элементы в виде раздельных ребер. Для верхнего антенного элемента первого диапазона 50 элементы ребер экранирующей пластинки 14 расположены снаружи элементов ребер излучающей пластинки 13 и выполнены противоположно друг другу. Для верхнего антенного элемента 30 второго диапазона элементы ребер экранирующей пластинки 12 расположены снаружи элементов ребер излучающей пластинки 11. Для нижнего антенного элемента второго диапазона элементы ребер пластинки 10 расположены снаружи элементов ребер экранирующей пластинки 9. Для нижнего антенного элемента первого диапазона элементы ребер экранирующей пластинки 7 расположены снаружи элементов ребер пластинки 8.
В каждом верхнем и нижнем антенном элементе соответствующего диапазона элементы ребер загнуты по периметру пластинок внутрь антенны навстречу другим элементам ребер противоположной пластинки так, чтобы располагаться вертикально по отношению к пластинкам, из которых они загнуты. Элементы ребер на каждой противоположной пластинке расположены в одной плоскости. Элементы ребер одной пластинки отделены от противоположных элементов другой пластинки на определенное расстояние. Размер экранирующей пластинки 12 или 9 больше, чем размер излучающей пластинки 11 или пластинки 10, и тем самым экранирующая пластинка 12 или 9 продолжена за емкостные элементы 3, которые расположены на ней.
При реализации многодиапазонной антенны круговой поляризации возможны все вышеуказанные согласно второму варианту изобретения варианты включения емкостных элементов в виде: раздельных ребер; гребенок, зубцов или штырьков. Для этого каждый нижний и/или верхний антенный элемент соответствующего диапазона выполняют согласно и аналогично раскрытым выше вариантам конструкции.
Настроечные параметры, определяющие конструктивное выполнение антенной системы, подбираются так, чтобы верхний антенный элемент 50 первого диапазона в полосе частот L1 и соответствующий ей нижний антенный элемент 60 обеспечивали требуемые характеристики Down/Up, а верхний антенный элемент 30 второго диапазона в полосе частот L2 и соответствующий ей нижний антенный элемент 40 обеспечивали требуемые характеристики Down/Up для L2. Под настроечными параметрами антенны понимаются: параметры, которые позволяют корректировать вышеуказанные значения резонансной частоты и Down/Up, а именно: форма емкостных элементов, высота l, ширина w и др., их расположение относительно друг друга или местоположение на пластинках, из которых они загнуты, площадь поверхности этих элементов или зазор между загнутыми элементами противоположных пластинок или область их перекрытия друг с другом. Так параметры нижнего антенного элемента 60 выбираются так, чтобы иметь резонансную частоту на или около полосы L1 верхнего антенного элемента 50, а параметры нижнего антенного элемента 40 берут такими, чтобы обеспечивать резонансную ее частоту на или около полосы L2 верхнего антенного элемента 30. Например, для приема сигналов GPS и GLONASS в L1 диапазоне 1563 МГц - 1616 МГц и L2 диапазоне 1216 МГц - 1260 МГц параметры берут так, чтобы резонансная частота нижнего антенного элемента 60 диапазона L1 предпочтительно была близкой -60 МГц к +25 МГц к центральной частоте полосы L1 1590 МГц, а резонансная частота нижнего антенного элемента 40 диапазона L2, была близкой -50 МГц к +20 МГц к центральной частоте L2 1240 МГц.
Позициями 1 и 2 обозначены соответственно нижняя и верхняя крышки антенного блока, поз.3a-3b - емкостные элементы в виде гребенок на соответствующих пластинках антенны, поз.4 - плата усилителя, на которой также может располагаться система возбуждения для диапазона L2, поз.5 - система возбуждения для диапазона L1, поз.6 - экран усилителя, поз.7 - экранирующая пластинка нижнего антенного элемента первого диапазона, поз.8 - пластинка нижнего антенного элемента первого диапазона, поз.9 - экранирующая пластинка нижнего антенного элемента второго диапазона, поз.10 - пластинка нижнего антенного элемента второго диапазона, поз.11 - излучающая пластинка верхнего антенного элемента второго диапазона, поз.12 - экранирующая пластинка верхнего антенного элемента второго диапазона 13 - излучающая пластинка верхнего антенного элемента первого диапазона, поз.14 - экранирующая пластинка верхнего антенного элемента первого диапазона, поз.15 - штыри возбуждения, поз.16 - выходной разъем, поз.17 - коаксиальный кабель питания, поз.18, 19, 26 - крепежные элементы винты, шайбы, поз.20-24 - диэлектрические поддерживающие проставки различной высоты, поз.25 - подкладочная шайба.
На фиг.4 показан вариант двухдиапазонной антенны, в которой емкостные элементы выполнены как набор раздельных ребер, загнутый по всему периметру (вдоль Н- и Е-плоскости) краев излучающих пластинок и экранирующих пластинок верхнего антенного элемента первого и второго диапазонов, а также раздельных ребер, загнутых по всему периметру краев пластинок и экранирующих пластинок нижнего антенного элемента первого и второго диапазонов. Элементы могут быть сформированы путем загиба листового проводящего материала, из которого выполнены пластинки.
Пластинка 8 нижнего антенного элемента первого диапазона 60 выполнена в виде объемной замкнутой полости, в которой размещают дополнительные конструктивные элементы, в частности навигационный приемник 29, оптические датчики положения и другие элементы. Со стороны верхней поверхности 8а замкнутой полости 8, которая расположена противоположно экранирующей пластинке 7 нижнего антенного элемента 60 первого диапазона, выполнены емкостные элементы 3b'. Емкостные элементы 3b могут быть выполнены как по краям, так и по соответствующему периметру от края замкнутой полости 8. Форма и расположение емкостных элементов 3b соответствуют вышеописанным вариантам фиг.6a-9k.
Емкостные элементы в виде гребенок загнуты по краям пластинок. Гребенки 3a' расположены на излучающих пластинках соответствующего диапазона верхнего антенного элемента, гребенки 3a” расположены на экранирующих пластинах соответствующего диапазона верхнего антенного элемента. Гребенки 3a' и 3a” выполнены загнутыми внутрь верхнего антенного элемента и расположены друг напротив друга.
Также соответственно гребенки 3b” расположены на экранирующих пластинах соответствующего диапазона нижнего антенного элемента, а гребенки 3b' на пластинках соответствующего диапазона нижнего антенного элемента. Гребенки 3b' и 3b” выполнены загнутыми внутрь нижнего антенного элемента и расположены друг напротив друга.
Гребенки 3a” расположены снаружи гребенок 3a'. Гребенки 3b' пластинки второго диапазона нижнего антенного элемента расположены снаружи гребенок 3b” экранирующей пластинки второго диапазона нижнего антенного элемента, гребенки 3b” экранирующей пластинки первого диапазона нижнего антенного элемента снаружи гребенок 3b' пластинки первого диапазона нижнего антенного элемента.
Гребенки 3a” экранирующих пластинок и противоположные им гребенки 3a' излучающих пластинок верхнего антенного элемента находятся в одной плоскости расположения на определенном расстоянии друг от друга, но смещены относительно друг друга по линии их расположения. Соответственно гребенки 3b” экранирующих пластинок и гребенки 3b' пластинок нижнего антенного элемента также расположены в одной плоскости и смещены относительно друг друга по линии расположения на заданное расстояние.
Указанный вариант выполнения емкостных элементов не ограничивается данным примером и может быть выполнен согласно любому из описанных вариантов фиг.9a-9g. Емкостные элементы для нижнего антенного элемента выполняются идентично элементам верхнего антенного элемента или имеют различное сочетание для верхнего и нижнего антенных элементов, т.е. имеют симметричное выполнение или имеют отличную друг от друга форму, согласно раскрытым вариантам выполнения. Так, верхний антенный элемент может быть выполнен с гребенками по краям его излучающих и экранирующих пластинок соответствующего диапазона, причем противоположные гребенки смещены относительно друг друга в плоскости их расположения. Нижний антенный элемент может быть выполнен с гребенками только по краям экранирующих пластинок соответствующего диапазона.
В антенной системе каждый верхний антенный элемент первого и второго диапазонов электрически соединен с МШУ 27, который расположен на печатной плате 4. Возбуждающие штыри 15 верхнего антенного элемента первого диапазона 50 запаяны на плату со схемой возбуждения 5, штыри верхнего антенного элемента второго диапазона 30 на плату 4, где также расположена соответствующая схема возбуждения 5 для этого диапазона. Сигнал с выхода схем возбуждения 5, по коаксиальному кабелю 17 поступает на вход усилителя 27 на плате 4, где он усиливается, и далее выходной сигнал с МШУ 27 через коаксиальный кабель или выходной разъем 16 - передается к различным внешним потребителям. Коаксиальный кабель 17 и выходной разъем - порт 16 расположены по центру конструкции, причем коаксиальный кабель 17 проходит по центру оси симметрии антенной системы и расположен в точках нулевых потенциалов полей антенных элементов, чтобы обеспечить симметрию конструкции антенной системы и не вносить искажений в ее работу. Как вариант, усилитель МШУ 27 может быть помещен в экранирующую оболочку 6 для защиты элементов усилителя от электромагнитных излучений. В качестве экранирующей оболочки применяются заземленные экраны, кожухи и другие элементы, которые выполняются из проводящих тонких материалов различной формы. Система питания может быть выполнена любым известным специалисту способом используя линии передачи различной конструкции, например полосковые линии.
Фиг.4a показывает вид в разрезе конструкции системы возбуждения многоярусной двухдиапазонной антенны. Стрелкой показаны точки соединения штырей возбуждения 15 и коаксиального кабеля 17 с соответствующими элементами антенны. Центральная жила коаксиального кабеля соединена с излучающей пластинкой, а оплетка кабеля с экранирующей пластинкой. Система возбуждения состоит из схемы возбуждения 5, штырей возбуждения 15, коаксиального высокочастотного кабеля 17. Верхний антенный элемент первого диапазона 50 запитывается сверху, а верхний антенный элемент второго диапазона 30 снизу. Для подвода питания в местах расположения штырей 15 и коаксиального кабеля 17 в соответствующих экранирующих пластинах 14, 12 и излучающих пластинках 13, 11, а также печатных платах 4 и 5 имеются отверстия.
Высокочастотный кабель 17 одним концом соединен с МШУ или с внешним оборудованием типа внешнего МШУ или приемника, а другим концом (центральной жилой) электрически соединен со схемой возбуждения 5, например делителем. Его оплетка запаяна (заземлена) на проводящую экранирующую пластинку. Штырь возбуждения 15 верхнего антенного элемента первого диапазона 50 сверху соединен со схемой возбуждения 5 и запаян на его излучающую пластинку 13. Аналогично и для второго штыря 15 верхнего антенного элемента второго диапазона 30 этот штырь 15 запаян на схему возбуждения, расположенную на плате 4, и через отверстие в верхнем антенном элементе первого диапазона 50 запаян на его излучающую пластинку 11.
Точку питания - точку расположения (подключения) штырей 15, размещают так, чтобы она была согласована с излучателем. Коаксиальный кабель 17 проходит по центру оси симметрии антенной системы и расположен в точках нулевых потенциалов полей антенных элементов. Выход МШУ 27 через разъем 16 подключен к внешнему оборудованию. Питание антенны и МШУ 27 можно обеспечить через коаксиальный кабель 17, отделяя напряжение постоянного тока от полученного антенной сигнала с помощью фильтров в МШУ 27.
На фиг.10 показан график зависимости Down/Up в полосе частот двух диапазонов L1 и L2 прототипа [1] и предложенной конструкции антенной системы.
Частотные свойства принято оценивать по определенному уровню, например -15 дБ или -20 дБ, которые позволяют обеспечить эффективность работы антенны. На графике видно, что на уровне Down/Up -15 дБ или -20дБ происходит расширение полосы частот относительно прототипа на +20…+30%. Таким образом, видно, что предложенная антенная система обеспечивает уменьшение эффекта многолучевого приема сигнала для диапазона L1 и L2 в более широкой полосе частот при небольших размерах экранирующей пластинки.
Резюмируя, можно отметить, что предложенная конструкция антенной системы позволяет за счет дополнительного уровня с проводящей полостью заданного размера создать многоярусную и многодиапазонную конструкцию антенны малого размера и размещать ее непосредственно на проводящей поверхности, например транспортном средстве, строительной технике, при этом сохраняя эффективность подавления многолучевого приема.