ДИАПАЗОННАЯ НАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА
DIRECTIONAL BAND ANTENNA

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в аппаратуре связи, радиолокации и навигации в качестве одиночного широкополосного излучателя или в качестве составляющего элемента многоэлементных антенных решеток, предпочтительно для верхней части дециметрового диапазона.
Уровень техники
Известна антенна, содержащая, по меньшей мере, один печатный излучатель с питающим коаксиальным кабелем, разъем для подключения приемно-передающей аппаратуры и плоский рефлектор (патент RU 2225663, МПК H01Q 1/38, опубл. 10.03.2004 г.).
Печатное исполнение излучателей обеспечивает малые металлоемкость, массу и габариты антенны. Однако упомянутая антенна имеет существенный недостаток - узкий диапазон согласования, что обусловлено выполнением излучателя в виде полоскового вибратора. Кроме того, при использовании вибраторных излучателей в качестве элементов антенной решетки, для обеспечения однонаправленного излучения, платы с излучателями должны быть закреплены ортогонально плоскости общего рефлектора, что создает трудности в обеспечении механической прочности антенны.
Известна панельная антенна, имеющая широкий диапазон излучения (см. патент RU 2273079, МПК H01Q 21/08, опубл. 27.03.2006), состоящая из одного или нескольких излучателей с питанием от коаксиального кабеля, каждый из которых выполнен в виде закрепленной параллельно рефлектору плоской металлической рамки со щелью и четырьмя шлейфами в виде пластин для улучшения согласования излучателя.
Однако упомянутые шлейфы обеспечивают согласование в ограниченной полосе частот и при этом создают излучение ортогональной, относительно излучения рамки, поляризации, что способствует появлению кросс-поляризационных помех. Размещение коаксиального кабеля в поле излучения также приводит возникновению кросс-поляризационных помех и искажению диаграмм направленности излучателя. Для уменьшения фазовых искажений в питании излучателя, оплетка коаксиального кабеля должна быть припаяна к рамке по всей длине контакта, что создает определенные технологические трудности.
Для согласования с питающей линией произвольного волнового сопротивления потребуется введение дополнительного согласующего устройства.
Диаграмма направленности антенной решетки и, следовательно, ее коэффициент направленного действия определяются направленными свойствами излучателей, их расположением в решетке, а также законом распределения амплитуд и фаз питающих сигналов. Для обеспечения этих требований, особенно в верхней части дециметрового диапазона, необходимо задавать жесткие допуски на геометрические размеры излучателей, согласующих устройств, линий питания, т.к. несоответствие размеров приводит к изменениям формы диаграммы направленности, уменьшению коэффициента направленного действия.
Для получения в вышеупомянутом решении панельной антенны рамки с хорошей повторяемостью размеров, необходимо применять при ее изготовлении лазерную резку или подстраиваемый штамп, что ведет к значительному удорожанию производства.
При создании остронаправленных антенн с большим числом излучателей более перспективным является использование многоэлементных антенных решеток на основе печатных излучателей, имеющих хорошую повторяемость геометрических размеров.
Известна широкополосная зигзагообразная антенна (см. патент RU 2373619, МПК H01Q 9/16, опубл. 20.11.2009 г.), содержащая печатный вибратор, состоящий из двух идентичных металлических плеч кольцеобразной эллиптической формы, расположенных симметрично относительно точек питания, и два согласующих элемента в виде проводящих плоскостей эллиптической формы, размещенных с постоянным зазором внутри плеч вибратора, на той же стороне диэлектрической пластины. Эта антенна может быть использована в качестве излучателя многоэлементной решетки. Для организации питания симметричного излучателя коаксиальным кабелем имеется дополнительное симметрирующее устройство, расположенное перпендикулярно плате.
Недостатком такой конструкции является сложность реализации симметрирующего устройства, т.к. последнее имеет длину 0,25λ, где λ - длина волны на средней частоте рабочего диапазона, а расстояние до рефлектора составляет всего (0,16-0,18)λ. В результате закрепить симметрирующее устройство непосредственно за рефлектор невозможно. Кроме того антенна имеет небольшой коэффициент усиления (не более 7 дБ) и полосу согласования 50-55%.
Известна диапазонная направленная антенна печатного исполнения (см. патент RU 2076407, МПК H01Q 19/10, опуб. 27.03.1997), содержащая металлическое зигзагообразное излучающее полотно, вырожденное в кольцо, заполненное двумя металлическими секторами с углом β у клемм питания, и плоский экран-рефлектор, параллельный излучателю. Эта антенна также может быть применена в качестве излучателя многоэлементной решетки, однако она имеет низкий уровень согласования и низкий коэффициент усиления (около 4 дБ).
В качестве наиболее близкого аналога, характеризующегося совокупностью признаков, наиболее близкой к совокупности существенных признаков заявляемого технического решения, принята конструкция зигзагообразной антенны, раскрытая в патенте на изобретение SU 1617501, МПК H01Q 19/00, опубл. 30.12.1990 г.
Упомянутая антенна содержит выполненный на одной стороне диэлектрической платы зигзагообразный печатный излучатель, размещенный параллельно излучателю плоский рефлектор, согласующее устройство и коаксиальную линию питания.
Излучатель сформирован парой зигзагообразных полосков, соединенных между собой концами с образованием двух ромбических ячеек, расположенных симметрично относительно точек питания. Применение зигзагообразного излучателя над рефлектором позволяет получить коэффициент усиления 8-9 дБ в рабочей полосе частот.
Коаксиальный кабель, осуществляющий питание излучателя, проложен по одной из сторон ромбовидной секции. Для получения стабильных параметров в этой антенне необходимо припаять оплетку кабеля к ромбовидной секции по всей длине, т.к. произвольное положение кабеля относительно проводников ромбовидной секции приведет к фазовой нестабильности сигнала, питающего излучатель, что недопустимо в многоэлементных решетках. Реализация антенн и антенных решеток при такой конструкции излучателя сопряжена с технологическими трудностями, т.к. необходимо добиться повторяемости расположения кабеля на излучателе.
Другим существенным недостатком антенны по патенту SU 1617501 является сложное согласующее устройство, выполненное в виде металлических ленточных проводников, размещенных на обеих сторонах платы и имеющих электромагнитную связь с излучателем. Упомянутые ленточные проводники создают излучение ортогональной, относительно излучателя, поляризации, что способствует появлению кросс-поляризационных помех.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является решение проблем согласования зигзагообразного печатного излучателя с коаксиальной линией питания произвольного волнового сопротивления и устранение кросс-поляризационных помех при сохранении высокого коэффициента усиления и широкого рабочего диапазона частот. А также повышение технологичности изготовления антенны.
Техническая задача решена благодаря тому, что в диапазонной направленной антенне, содержащей, по меньшей мере, один зигзагообразный печатный излучатель, выполненный на одной стороне диэлектрической платы, размещенной параллельно плоскому рефлектору, согласующее устройство и коаксиальную линию для питания излучателя, согласно заявляемому изобретению, коаксиальная линия подведена в точку нулевого потенциала излучателя, а согласующее устройство выполнено в виде микрополосковой линии передачи сигнала с коаксиальной линии на излучатель, образованной участками разной ширины и размещенной на второй стороне диэлектрической платы над полосками излучателя, которые образуют обратный провод микрополосковой линии, при этом ширина участков микрополосковой линии выбрана, исходя из условия согласования входного сопротивления излучателя и коаксиальной линии.
Вышеприведенная совокупность существенных отличительных признаков заявляемого технического решения позволяет получить следующие положительные технические результаты:
- обеспечение возможности согласования зигзагообразного излучателя с коаксиальной линией питания с любым волновым сопротивлением;
- исключение кросс-поляризационных помех в линии питания и согласования;
- упрощение конструкции;
- повышение технологичности изготовления как антенны с одиночным излучателем, так и антенных решеток;
- обеспечение высокой механической прочности антенны.
Основным отличием предлагаемого устройства от прототипа является конструктивное исполнение согласующего устройства в виде микрополосковой линии, которая обеспечивает передачу сигнала от коаксиальной линии питания к излучателю и при этом не создает кросс-поляризационного излучения.
Микрополосковая линия выполнена на противоположной излучателю стороне диэлектрической платы и размещена непосредственно над полосками излучателя, т.е. повторяет очертания излучающей части, над которой расположена, и параллельна им.
Такое конструктивное исполнение согласующего устройства позволило, во-первых, вынести коаксиальную линию питания за пределы действия излучателя - в точку нулевого потенциала, благодаря чему она не создает дополнительного кросс-поляризационного излучения. Во-вторых, сама несимметричная микрополосковая линия создает излучение согласной с излучателем поляризации, что также позволяет исключить появление кросс-поляризационных помех.
Вместе с тем предложенная конструкция согласующего устройства позволяет использовать в качестве коаксиальной линии питания излучателя коаксиальную линию с любым, произвольно заданным волновым сопротивлением, а не только стандартный коаксиальный кабель. Варьируя шириной полоска сигнального провода согласующего устройства (шириной участков микрополосковой линии), добиваются согласования входного сопротивления излучателя с коаксиальной линией в широкой полосе рабочих частот.
По сути, микрополосковая линия представляет собой входной согласующий трансформатор сопротивления, который может быть как одноступенчатым, так и многоступенчатым, в зависимости от ширины диапазона рабочих частот или уровня согласования (см., например, кн. А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.П. Смирнов. Справочник по элементам волноводной техники. Изд-во «Советское радио», Москва, 1967 г., с.270-345). Расчет ширины микрополосковой линии может быть произведен, например, с применением программы AppCad (Agilent Technologies) раздел Passive Circuits.
Возможность использования для питания излучателя коаксиала произвольного волнового сопротивления позволяет значительно упростить и повысить технологичность изготовления антенных решеток за счет значительного упрощения согласования входного сопротивления излучателя со схемой распределения сигнала по излучателям решетки.
Полоски излучателя выполняют не только свою прямую функцию излучения, но и образуют обратный провод микрополосковой линии, что позволяет значительно упростить конструкцию согласующего устройства и антенны в целом. При этом минимальная ширина полосков излучателя выбирается достаточной для создания обратного провода микрополосковой линии.
Полоски излучателя в совокупности с микрополосковой линией образуют симметрирующее устройство антенны.
Полоски излучателя также имеют неодинаковую по длине полоска ширину, что позволяет добиться стабильности входного сопротивления излучателя в рабочем диапазоне частот.
Диэлектрическая плата с излучателем и согласующим устройством закрепляется к рефлектору в точках нулевого потенциала посредством стоек.
В предпочтительном случае реализации устройства, коаксиальная линия питания излучателя выполнена в виде одной из стоек для закрепления излучателя на рефлекторе. Полый трубчатый корпус стойки образует внешний провод коаксиала и закреплен посредством фланцев с одной стороны к рефлектору, а с другой стороны - к полоскам излучателя в точке нулевого потенциала. Центральный проводник коаксиала, пропущенный внутри трубчатого корпуса, соединен одним концом с микрополосковой линией, а другим - с центральным контактом высокочастотного разъема (в случае одиночного излучателя) или с сигнальным проводником полосковой схемы распределения и согласования антенной решетки.
Упомянутая схема распределения и согласования антенной решетки представляет собой печатную плату, которую закрепляют с обратной стороны рефлектора.
Таким образом, предлагаемая антенна характеризуется высокой механической прочностью конструкции, отсутствием переходных устройств и высокой технологичностью.
Краткое описание чертежей
Возможность промышленной осуществимости предлагаемого технического решения подтверждается приведенным ниже примером, иллюстрированным чертежами, где:
на фиг.1 - изображена антенна с одним излучателем, общий вид, изометрия;
на фиг.2 - вид на печатную плату со стороны излучателя.
Осуществление изобретения
Диапазонная направленная антенна (см. фиг.1) содержит диэлектрическую плату 1 с зигзагообразным печатным излучателем и согласующим устройством, плоский рефлектор 2, размещенный параллельно плате 1, и коаксиальную линию 3.
Зигзагообразный печатный излучатель 4, размещенный на стороне А диэлектрической платы 1, состоит из двух зигзагообразных полосков 5 и 6, соединенных между собой концами с образованием двух одинаковых ромбических ячеек, расположенных симметрично относительно точек питания (см. фиг.2).
На стороне В диэлектрической платы 1 над полосками излучателя 4 расположена микрополосковая линия 7 (МПЛ), соединяющая точку питания 8 излучателя 4 с коаксиальной линией 3, подведенной в точку нулевого потенциала 9 излучателя.
МПЛ 7 образована линейными участками разной ширины. Варьируя шириной участков микрополосковой линии 7, добиваются согласования входного сопротивления излучателя с коаксиальной линией 3 питания с любым волновым сопротивлением на всем рабочем диапазоне частот. Возможность использования коаксиала произвольного волнового сопротивления позволяет значительно упростить и повысить технологичность изготовления антенных решеток.
Ширина полосков 5 и 6 излучателя также выполняется неодинаковой на разных участках по длине полосков.
Во первых, минимальная ширина полосков выбирается достаточной для создания обратного провода микрополосковой линии 7, при этом расчеты выполняются известными методами (например, см. кн. Л.Н. Кечиев. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. ООО «Группа ИТД», Москва, 2007 г., с.218-220).
Во-вторых, ширина полосков 5 и 6 должна обеспечивать стабильность входного сопротивления излучателя в рабочем диапазоне частот.
Диэлектрическая плата 1 закреплена к рефлектору 2 в точках нулевого потенциала посредством стоек 10 и 11.
В одном примере реализации антенны коаксиальная линия 3 пропущена внутри стойки 10, при этом внешний проводник коаксиала имеет контакт с излучающей частью в точке нулевого потенциала 9, а внутренний - распаивается на микрополосковую линию 7 согласования.
В другом примере реализации антенны коаксиальная линия 3 выполнена в виде стойки 10. В этом случае полый трубчатый корпус стойки образует внешний провод коаксиала, который закрепляют посредством фланцев с одной стороны к рефлектору 2, а с другой стороны - к полоскам излучателя 4 в точке нулевого потенциала. Центральный проводник коаксиала, пропущенный внутри трубчатого корпуса, распаивается одним концом на микрополосковую линию 7, а другим - на центральный контакт высокочастотного разъема или на сигнальный проводник полосковой схемы распределения и согласования антенной решетки, размещенной на обратной стороне рефлектора 2 (на чертежах не показано).
Предлагаемое техническое решение может быть использовано как в антенне с одиночным излучателем, так и в сложных антенных системах с многоэлементными решетками с линейным или пространственным размещением излучателей, в зависимости от требуемой формы диаграммы направленности антенны.
Антенна создает направленное излучение в широком диапазоне частот и имеет высокий коэффициент усиления 8-9 дБ. Работает антенна следующим образом.
Сигнал с коаксиальной линии 3 передается на микрополосковую линию 7, осуществляющую возбуждение излучателя 4. При этом несимметричная микрополосковая линия 7 согласующего устройства имеет излучение согласной с излучателем 4 поляризации, что исключает появление кросс-поляризационных помех. Благодаря тому, что коаксиальная линия 3 вынесена из зоны действия излучателя, она не создает дополнительного кросс-поляризационного излучения.