АНТЕННЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к антенной технике и может использоваться в приемных, передающих и приемопередающих антенных устройствах радиотехнических систем различного назначения, в частности для создания фазированных антенных решеток с управляемой поляризацией.
Перспективность и широкое использование антенных модулей в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и др. в составе различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиотехнических систем подтверждает актуальность данной темы.
Известна микрополосковая антенна круговой поляризации (патент на изобретение RU 2251768, МПК H01Q 21/24, H01Q 1/38, опубл. 10.05.2005), содержащая микрополосковую линию, с одной стороны которой расположена возбуждающая структура, а с другой стороны заземляющий проводник с выполненными в нем щелями, являющимися одновременно излучателями, при этом щели расположены взаимоперпендикулярно по смежным сторонам излучателя квадратной формы, связанного со щелями через первый и второй слои диэлектрика, причем щели возбуждены последовательно одним отрезком микрополосковой линии.
Недостатком является то, что питание антенны осуществляется через один вход, что не позволяет управлять поляризацией, обеспечивая формирование сигналов только круговой поляризации.
Известна печатная рамочная антенна (патент на изобретение RU 2228564, МПК H01Q 1/38, опубл. 10.05.2004), содержащая неразрезную квадратную, прямоугольную или круговую рамку на одной стороне диэлектрической пластины и короткозамкнутый или разомкнутый отрезок проводника прямолинейной или изогнутой формы под сторонами или частью окружности рамки на обратной стороне пластины. Антенна возбуждается непосредственно коаксиальным кабелем в середине стороны рамки, в углу или в какой-либо точке круговой рамки. При линейной поляризации внутри или вне активной рамки с зазором размещается металлизированный квадрат, прямоугольник или круг, или рамка в виде квадрата, прямоугольника или кольца, или любой другой элемент, близкий по форме, или просто металлизированный слой внутри или вне рамки, причем внешний проводник (оплетка) коаксиального кабеля питания присоединяется к активной рамке, а центральный проводник - к разомкнутому или короткозамкнутому отрезку проводника. Для получения круговой поляризации при возбуждении квадратной или прямоугольной рамки в середине одной из сторон соседняя с ней сторона рамки, под которой на обратной стороне диэлектрической пластины отсутствует разомкнутый отрезок проводника, соединена накоротко через зазор со сплошным квадратом, прямоугольником, или рамкой, или металлизированным слоем внутри или вне активно возбужденной рамки.
Недостатком данного решения является усложнение конструкции антенны при изменении поляризации и работе на нескольких частотах за счет введения дополнительных активных рамок внутри или вне основной активной рамки квадратной, прямоугольной или круговой формы с соответствующими разомкнутыми или короткозамкнутыми отрезками проводника на обратной стороне диэлектрической пластины.
Известна двухдиапазонная микрополосковая антенна (патент на изобретение RU 2495518, МПК H01Q 1/38, опубл. 10.10.2013), содержащая металлический экран, два излучающих элемента в виде металлических пластин, расположенных одна над другой параллельно металлическому экрану и разделенных диэлектрическими подложками, и коаксиальную линию передачи с одной точкой возбуждения, при этом пластины выполнены прямоугольными, линейные размеры сторон нижней и верхней пластины, место расположения точки возбуждения и координаты расположения точки возбуждения относительно ребер нижней и верхней пластин определяются определенными соотношениями.
Недостатком такой антенны является то, что отсутствует возможность управления поляризацией, так как возбуждение осуществляется коаксиальной линией передачи в одной точке возбуждения.
Известна многодиапазонная микрополосковая антенна (патент на изобретение RU 2315398, МПК H01Q 1/38, H01Q 5/01, опубл. 20.01.2008), состоящая из четырех антенных элементов. Каждый антенный элемент включает печатный проводник и диэлектрическую подложку. Разделительная плата включает две изолированные друг от друга печатные проводящие площадки и диэлектрическую подложку. Имеются также: коаксиальный кабель, передающая линия, первый штырь, второй штырь, проводящий экран, первый и второй высокочастотные соединители. Каждый антенный элемент имеет отверстие в центре для прохождения коаксиального кабеля и отверстие на расстоянии от центра для прохождения соответственно первого и второго штырей.
Печатные проводники предложенной антенны могут иметь различную конфигурацию, включая конфигурации, обеспечивающие излучения поля круговой поляризации. Однако антенна имеет сложную конструкцию за счет питания, при котором два нижних антенных элемента запитываются снизу, а два верхних элемента запитываются сверху.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемой полезной модели является антенное устройство (патент на изобретение RU 2117366, МПК H01Q 1/38, опубл. 10.08.1998), содержащее первый диэлектрический слой, имеющий с одной стороны плоскость заземления, а с другой стороны - первую проводящую подложку (первичный излучатель) выбранной формы, второй диэлектрический слой, расположенный над первым диэлектрическим слом со стороны первой проводящей подложки и несущий на себе, с другой своей стороны, напротив первой проводящей подложки, вторую проводящую подложку (вторичный излучатель) выбранной формы и третий диэлектрический слой, расположенный над вторым диэлектрическим слоем, а также средства сверхвысокочастотного питания одной из проводящих подложек, при этом вторая проводящая подложка имеет размер, меньший, чем размер первой проводящей подложки, а первая проводящая подложка запитывается снизу в по меньшей мере одной выбранной точке, располагающейся между ее центром и ее краем.
Для обеспечения круговой поляризации при одной линии питания в данное устройство введен делитель мощности Уилкинсона, размещенный в диэлектрической подложке трехпластинчатой структуры в микрополосковом исполнении с дополнительной платой для его размещения. Нижняя проводящая подложка запитывается в двух выбранных точках питания. Вторая проводящая подложка возбуждается полем излучения первой. Антенна может работать как в режиме передачи, так и в режиме приема в очень близких диапазонах.
Основным недостатком используемого устройства является то, что наличие одной линии питания исключает возможность управления поляризацией антенны. Кроме того, построение микрополосковой антенны по такой конструктивной схеме приводит к увеличению ее габаритов (толщины) ввиду появления дополнительной платы (трехпластинчатой конструкции) делителя мощности. Данная антенна имеет сложную конструкцию и изготовление.
Таким образом, в известных из уровня техники аналогичных конструкциях антенн отсутствует возможность управления поляризацией. Кроме этого, предложенные антенны работают в узких частотных диапазонах, а также имеют сложную конструкцию, приводящую к увеличению их габаритов и уменьшению технологичности изготовления.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании антенного модуля для приемных, передающих и приемопередающих антенных устройств радиотехнических систем различного назначения, позволяющих осуществлять метод поляризационной селекции, используя управление поляризацией.
Технический результат - создание более технологичной конструкции антенного модуля, расширяющей функциональность, заключающуюся в возможности управления поляризацией при использовании антенного модуля для излучения и приема сигналов.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом антенном модуле, содержащем сверхвысокочастотный (СВЧ) вход с кабельной сборкой, основание, расположенный над ним первый диэлектрический слой, имеющий со стороны основания заземляющий экран, а с другой стороны - первичный излучатель, второй диэлектрический слой, расположенный над первым диэлектрическим слоем со стороны первичного излучателя и несущий на себе, с верхней своей стороны, вторичный излучатель, размер которого меньше, чем размер первичного излучателя, при этом первичный излучатель запитывается в двух точках питания, расположенных между центром и краем первичного излучателя и создающих ортогонально расположенные вектора напряженности электрического поля. В отличие от прототипа, антенный модуль содержит второй СВЧ вход с кабельной сборкой, при этом каждый из СВЧ входов через кабельную сборку соединен с соответствующей точкой питания первичного излучателя.
Таким образом, антенный модуль запитывается в двух точках питания, через два СВЧ входа с кабельной сборкой. При этом сигнал, подводимый к одному входу излучателя, возбуждает линейно поляризованную волну, вектор напряженности электрического поля которой повернут относительно линии визирования на угол -45 градусов, а сигнал, подводимый к другому входу излучателя, возбуждает линейно-поляризованную волну, вектор напряженности электрического поля которой повернут относительно линии визирования излучателя на угол +45 градусов.
Благодаря предложенной конструктивной особенности возможно возбуждение излучателем линейно-поляризованной волны вертикальной поляризации при синфазном возбуждении входов, возбуждение излучателем линейно-поляризованной волны горизонтальной поляризации при противофазном возбуждении входов и возбуждение излучателем электромагнитной волны круговой поляризации при разности фаз возбуждения входов в 90 градусов.
Для управления поляризацией антенного модуля каждый из СВЧ входов с внешней стороны подключен к приемно-передающему модулю, который осуществляет независимое управление фазовым распределением каждого в отдельности СВЧ входа в передающем и приемном режимах антенного модуля, что существенно расширяет функциональные возможности антенного модуля.
Также важно отметить, что установка в антенном модуле каждого СВЧ входа выполнена таким образом, что внешний проводник (оплетка) и центральный проводник кабельной сборки подводятся соответственно к заземляющему экрану и к одной из точек питания первичного излучателя. Соединение СВЧ входов непосредственно с первичным излучателем обеспечивает технологичность конструкции. Указанное соединение способствует управлению поляризацией антенного модуля путем запитывания каждой точки питания отдельным СВЧ входом.
Предложенная совокупность существенных признаков расширяет функциональность антенного модуля путем получения технологичной конструкции, реализующей возможность управления поляризацией. Антенный модуль с управляемой поляризацией позволяет использовать метод поляризационной селекции, что делает антенный модуль более универсальным и широко применимым в радиотехнических системах различного назначения.
Сущность технического решения поясняется приведенными чертежами и изображениями:
Фиг. 1 - антенный модуль;
Фиг. 2 - вариант расположения точек питания относительно линии визирования первичного излучателя;
Фиг. 3 - пример реализации антенного модуля.
Антенный модуль (фиг. 1) содержит основание 1, представляющее собой пластину, выполненную из полиакрила. Над основанием 1 расположен первый диэлектрический слой 2, выполненный из фольгированного диэлектрика, имеющий со стороны основания 1 заземляющий экран 3, а с другой стороны - первичный излучатель 4. Второй диэлектрический слой 5, выполненный из пластика, расположен над первым диэлектрическим слоем 2 со стороны первичного излучателя 4 и несет на себе, с другой своей стороны, вторичный излучатель 6.
В целесообразном варианте выполнения первичный 4 и вторичный излучатель 6 выполнены круглой формы, в этом случае происходит наименьшее искажение (изрезанность) диаграммы направленности. При этом для лучшей функциональности антенного модуля размер вторичного излучателя 6 меньше, чем размер первичного излучателя 4. Соотношение размеров излучателей зависит от длины волны, диапазона частот и других характеристик.
Важным аспектом является осуществление питания антенного модуля. Существует два кардинально отличающихся метода питания антенного модуля. В случае, применяемом в прототипе, питание осуществляется через один СВЧ вход, при этом питание подводится через делитель мощности, сконструированный по принципу делителя Уилкинсона, который делит мощность входящего сигнала на две равные части, а за счет разности длин линий питания после делителя первичный излучатель запитывается в двух точках питания сигналами, отличающимися по фазе, но равными по мощности и частоте. Антенный модуль с одним питающим СВЧ входом исключает возможность управления поляризацией и, как следствие, имеет один фиксированный вид поляризации. Кроме этого, антенный модуль предполагает наличие трехпластинчатой конструкции, содержащей слой-подложку между двумя плоскостями заземления, для размещения в ней делителя Уилкинсона, что снижает технологичность изготовления, увеличивает габариты и вес конструкции антенного модуля.
В заявляемой полезной модели первичный излучатель 4 также запитывается в двух точках питания, расположенных между центром и краем первичного излучателя 4. Расстояние между центром первичного излучателя 4 и точкой питания выбирается в зависимости от получения желаемой диаграммы направленности. Однако точки питания расположены таким образом, что создают ортогонально расположенные вектора напряженности электрического поля (фиг. 2), которые повернуты относительно линии визирования на угол +/-45 градусов.
При этом антенный модуль запитывается в двух точках питания через СВЧ входы - «1» и «2» с кабельной сборкой. Монтаж СВЧ входов - «1» и «2» выполнен таким образом, что каждый центральный проводник и внешний проводник (оплетка) СВЧ кабеля каждого СВЧ входа антенного модуля подводится соответственно к первичному излучателю 4 и к заземляющему экрану 3. Такая конструкция более технологична за счет того, что нет необходимости в монтаже делителя Уилкинсона и трехпластинчатой конструкции (как в прототипе), необходимой для его установки. Также за счет того, что подача СВЧ сигнала осуществляется на каждый вход в отдельности, появляется возможность управления поляризацией излучаемого сигнала антенного модуля. При этом управление взаимной фазы возбуждения, мощностью и частотой сигналов подаваемых на СВЧ входы «1» и «2» антенного модуля производится в приемно-передающем модуле соответствующими командами управления.
К преимуществам полезной модели необходимо добавить существенное расширение полосы рабочих частот, за счет улучшенной конструкции антенного модуля.
Антенный модуль работает следующим образом. Входы «1» и «2» выполнены в виде коаксиальных кабелей для подвода СВЧ сигнала к первичному излучателю 4, антенного модуля. СВЧ сигнал, подаваемый для возбуждения первичного излучателя 4 посредством входов «1» и «2», формируется приемо-передающим модулем соответствующими командами управления. Далее сигнал поступает на первичный излучатель 4, которой через создаваемое им электромагнитное поле возбуждает вторичный излучатель 6. Вид поляризации, излучаемый вторичным излучателем 6, зависит от подаваемого возбуждения. При возбуждении отдельно каждого из СВЧ входа излучатель возбуждает линейно поляризованную волну, вектор напряженности электрического поля которой повернут относительно линии визирования на -/+45 градусов. При синфазном возбуждении входов «1» и «2» излучатель возбуждает линейно-поляризованную волну вертикальной поляризации. При противофазном возбуждении входов «1» и «2» излучатель возбуждает линейно-поляризованную волну горизонтальной поляризации. При разности фаз возбуждения входов «1» и «2» в 90 градусов излучатель возбуждает электромагнитную волну круговой поляризации. Также возможно возбуждение эллиптической поляризации. При работе антенного модуля на прием управление фазой принимаемого сигнала происходит аналогичным образом.
Таким образом, меняя величину фазового сдвига между двумя точками питания, можно добиться любой поляризации, от линейной до круговой. Тем самым, расширяются функциональные возможности антенного модуля, а именно излучение различной поляризации позволяет выделять полезные сигналы на фоне активных помех или мешающих отражений по различию в их поляризационной структуре. То есть заявляемый антенный модуль позволяет применять метод поляризационной селекции, что делает его более универсальным и широко применимым в радиотехнических системах различного назначения.
Например, применение заявляемого антенного модуля возможно как отдельно, так и в фазированных антенных решетках (ФАР).
На фиг. 3 приведен один из примеров реализации антенного модуля, изготовленного с возможностью управления поляризацией. В результате испытаний опытного образца антенного модуля, изготовленного в соответствии с предлагаемым техническим решением, получены положительные результаты, подтверждающие осуществление управления поляризацией при использовании антенного модуля для излучения и приема сигналов.
При создании ФАР на основе данных антенных модулей возможно формирование необходимой диаграммы направленности, а также реализация режима электронного (немеханического) сканирования в различных плоскостях. При формировании ФАР из данных антенных модулей расположение элементов, в отличие от прототипа, не требует точного позиционирования для получения различной поляризации, благодаря тому, что каждый антенный модуль выполнен с возможностью управления поляризацией с помощью приемо-передающего модуля. В случае отказа одного антенного модуля, посредством перенастройки приемо-передающего модуля можно скорректировать работу ФАР, что позволит минимизировать ухудшение характеристик локатора, в целом без потери его работоспособности.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении реализуется возможность создания более технологичной конструкции антенного модуля, расширяющей функциональность, заключающуюся в возможности управления поляризацией при использовании антенного модуля для излучения и приема сигналов.