ПЛОСКАЯ АНТЕННА ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛА L-ДИАПАЗОНА КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ
FLAT ANTENNA FOR RECEIVING AN L-BAND RADIO SIGNAL OF CIRCULAR POLARIZATION

Изобретение относится к антенной технике, а именно к антеннам, состоящим из множества одинаковых элементов расположенных в одной плоскости и формирующих фазированную решетку, которые могут применяться для приема сигнала низкоорбитальных искусственных спутников Земли.
Современные антенные системы для приема сигналов со спутников состоят из параболического зеркала большого диаметра и приемника-облучателя, расположенного в фокусе антенны, и представляют собой сложные технические сооружения, включающие в себя элементы фиксации зеркала и приемника-облучателя на опорно-поворотном устройстве.
Для качественного приема сигнала с помощью таких антенн необходимо, чтобы параболическое зеркало не изменяло свою форму при внешних воздействиях на него, таких как ветер или изменение вектора гравитации Земли при вращении антенны, что, в свою очередь, требует конструктивного увеличения жесткости зеркала со значительным увеличением его веса. Увеличение массы зеркала приводит к увеличению нагрузки на опорно-поворотное устройство.
Известна конструкция легкой слабонаправленной антенны, работающей в УВЧ и СВЧ диапазонах - микрополосковая патч-антенна (далее - патч-антенна), которая состоит из тонкой плоской металлической пластины, расположенной на малом (0,01…0,1λ) расстоянии параллельно плоскому металлическому экрану. Зазор между пластиной и экраном может быть заполнен слоем диэлектрика (ε=2,5…10), а сама антенна изготавливаться по технологии печатных плат [Б.А. Панченко, Е.И. Нефедов. Микрополосковые антенны. // М., Радио и Связь - 1986]. Микрополосковая патч-антенна является одним из очень популярных типов антенн благодаря своим преимуществам - низкому профилю, простоте изготовления, низкой стоимости и отсутствию соответствия криволинейным поверхностям. В патч-антенне с пластиной круглой или квадратной формы может быть легко реализована круговая поляризация электромагнитного поля. Для реализации круговой поляризации патч-антенна должна возбуждаться в нескольких точках (обычно двух или четырех) со сдвигом фазы на 90° в ортогональных плоскостях или в одной точке, но при этом дополнительно изменяется форма пластины (срезаются углы, делаются наклонные щели и др.).
Для увеличения коэффициента усиления и сужения диаграммы направленности из патч-антенн формируют фазированные решетки. В прототипе [Steven (Shichang) Gao, Qi Luo, and Fuguo Zhu. Circularly polarized antennas. // © 2014 John Wiley & Sons, Ltd. - Страница 201] описана широкополосная микрополосковая антенная решетка, способная работать в полосе частот 27-31 ГГц круговой поляризации, состоящая из 64 одинаковых излучателей. Каждый излучатель антенной решетки представляет собой патч-антенну с пластиной квадратной формы и двумя срезанными углами, которые объединены в модули, состоящие из четырех излучателей (2×2 излучателя), с последовательным разворотом каждого излучателя на 90° относительно центра модуля и последовательным сдвигом фазы возбуждения на 90° с помощью сумматора 1:4 имеющего плечи разной длины (фиг. 1). Модули объединяются в подрешетки из 2×2 модулей. Два правых и два левых модуля попарно имеют одинаковое расположение и одинаковую фазу возбуждения, при этом правые модули представляют собой копии левых модулей, повернутых относительно своего геометрического центра, и имеют фазу возбуждения, отличающуюся на 180° от фазы левых модулей. Подрешетки в свою очередь формируют решетку, состоящую из 2×2 подрешеток с последовательным разворотом каждой подрешетки на 90°. При этом массив содержит в общей сложности 64 излучателя, как показано на фиг. 2
2
2
2
Рассмотренная конструкция антенной решетки выполнена на единой плате из фольгированного СВЧ-диэлектрика марки RT/Duriod 5880 толщиной 0,254 мм и имеет размеры 80×80 мм. Для антенны L-диапазона, работающей в полосе частот 1,7±0,1 ГГц, такая конструкция не подходит, так как рассчитанные размеры антенны составляют 1000×1000 мм. Изготовление печатной платы таких размеров крайне затруднительно как из-за отсутствия материала подходящих размеров, так из-за отсутствия подходящего оборудования для изготовления плат такого размера. Технический результат направлен на создание плоской антенны приема радиосигнала L-диапазона круговой поляризации размером 1000×1000 мм, отличающейся простотой изготовления, невысокой стоимостью, малой высотой, низкой массой и хорошими радиотехническими характеристиками.
2
Технический результат достигается использованием модульной конструкции, состоящей из 16 одинаковых модулей размером 250×250 мм. Каждый модуль имеет двухуровневую структуру: на нижнем уровне располагается микрополосковый сумматор 1:4, а на верхнем слое располагаются пластины четырех патч-антенн, расположенных в виде квадрата 2×2 излучателей. Каждая патч-антенна возбуждается в двух точках с помощью зондов с фазовым сдвигом 90° между ними, что позволяет увеличить ширину полосы частот антенны [Steven (Shichang) Gao, Qi Luo, and Fuguo Zhu. Circularly polarized antennas. // © 2014 John Wiley & Sons, Ltd. - Страница 85], что не используется в прототипе. В составе модуля две верхние и две нижние патч-антенны попарно имеют одинаковые расположение и фазу возбуждения, при этом верхние патч-антенны представляют собой копии нижних патч-антенн, повернутых относительно своего геометрического центра на 180° и имеющих фазу возбуждения, отличающуюся на 180° от фазы верхних патч-антенн. Модули объединяются в подрешетки, состоящие из четырех модулей в виде квадрата 2×2 модуля, сигнал которых суммируется с помощью полоскового сумматора 1:4. Модули последовательно повернуты относительно центра подрешетки на 90° с последовательным сдвигом фазы возбуждения на 90°. Фазовый сдвиг обеспечивается за счет разности длин коаксиальных кабелей, соединяющих модули с сумматором. Сформированные подрешетки далее объединяются в решетку антенны в виде квадрата 2×2 подрешеток без их разворота относительно центра решетки антенны, и сигналы с них синфазно суммируются в сумматоре 1:4.
Плоская антенна приема радиосигнала L-диапазона круговой поляризации поясняется фигурами 1-6.
На фигуре 1 представлен прототип четырехэлементного модуля антенны частотой приема 29 ГГц.
На фигуре 2 представлен прототип решетки антенны приема радиосигнала круговой поляризации частотой приема 29 ГГц.
На фигуре 3 представлен четырехэлементный модуль антенны приема радиосигнала L-диапазона круговой поляризации.
На фигуре 4 представлена подрешетка плоской антенны приема радиосигнала L-диапазона круговой поляризации.
На фигуре 5 представлена решетка плоской антенны приема радиосигнала L-диапазона круговой поляризации.
На фигуре 6 представлен прием спутникового сигнала плоской антенной приема радиосигнала L-диапазона круговой поляризации.
В прототипе описана широкополосная микрополосковая антенная решетка, состоящая из 64 одинаковых излучателей, выполненных на единой подложке, которая способна работать в полосе частот 27-31 ГГц круговой поляризации. Каждый излучатель антенной решетки представляет собой патч-антенну с пластиной квадратной формы и двумя срезанными углами, которые объединены в квадратные модули, состоящие из четырех излучателей (2×2 излучателя), с последовательным разворотом каждого излучателя на 90° относительно центра модуля и последовательным сдвигом фазы возбуждения на 90° с помощью сумматора 1:4 имеющего плечи разной длины (фиг. 1). Модули объединяются в подрешетки из 2×2 модулей. Два правых и два левых модуля попарно имеют одинаковое расположение и одинаковую фазу возбуждения, при этом правые модули представляют собой копии левых модулей, повернутых относительно своего геометрического центра, и имеют фазу возбуждения, отличающуюся на 180° от фазы левых модулей. Подрешетки в свою очередь формируют решетку, состоящую из 2×2 подрешеток с последовательным разворотом каждой подрешетки на 90°. При этом массив содержит в общей сложности 64 излучателя, как показано на фиг. 2. Такое расположение излучателей позволяет реализовать несколько контуров вращения поляризации в антенной решетке.
2
2
Рассмотренная конструкция антенной решетки выполнена на единой плате из фольгированного СВЧ-диэлектрика марки RT/Duriod 5880 толщиной 0,254 мм и имеет размеры 80×80 мм. Для антенны L-диапазона, работающей в полосе частот 1,7±0,2 ГГц, такая конструкция не подходит, так как рассчитанные размеры антенны составляют 1000×1000 мм. Изготовление печатной платы таких размеров крайне затруднительно как из-за отсутствия материала подходящих размеров, так из-за отсутствия подходящего оборудования для изготовления плат такого размера. Кроме этого, использование для реализации круговой поляризации двух точек возбуждения патч-антенны со сдвигом фазы на 90° позволяет увеличить ширину полосы антенны, что не используется в прототипе.
2
2
Для создания антенны L-диапазона круговой поляризации размерами 1000×1000 мм авторами предлагается модульная конструкция, состоящая из 16 одинаковых модулей размером 250×250 мм, каждый из которых выполнен на своей СВЧ подложке. Модуль состоит из четырех излучателей, расположенных в виде квадрата 2×2 излучателя, которые представляют собой воздушные патч-антенны, поэтому имеют двухуровневую структуру: на нижнем уровне располагается микрополосковый сумматор 1:4, выполненный на фольгированном СВЧ-диэлектрике марки ФАФ-4Д, а на верхнем слое располагаются квадратные пластины патч-антенн. Экран микрополоскового делителя является одновременно экраном и для патч-антенны. Каждая патч-антенна возбуждается в двух точках с помощью зондов с фазовым сдвигом 90° между ними. В составе модуля две верхние и две нижние патч-антенны попарно имеют одинаковое расположение и фазу возбуждения, при этом верхние патч-антенны представляют собой копии нижних патч-антенн, повернутых относительно своего геометрического центра на 180° и имеющих фазу возбуждения, отличающуюся на 180° от фазы верхних патч-антенн. Модули объединяются в подрешетки в виде квадрата по 2×2 модуля, и сигнал с них суммируется с помощью полоскового сумматора 1:4, выполненного на основе фольгированного СВЧ-диэлектрика марки ФАФ-4Д толщиной 1,5 мм. Модули последовательно повернуты относительно центра подрешетки на 90° с последовательным сдвигом фазы возбуждения на 90°. Фазовый сдвиг обеспечивается за счет разности длин коаксиальных кабелей, соединяющих модули с сумматором. Сформированные подрешетки далее объединяются в решетку антенны в виде квадрата 2×2 подрешеток без их разворота относительно центра решетки антенны.
В связи с вышеизложенным авторами предлагается антенна приема радиосигнала L-диапазона круговой поляризации, состоящая из 64 одинаковых излучателей, входящих в состав 16 одинаковых модулей, каждый из которых состоит из четырех излучателей расположенных в виде квадрата 2×2 излучателя, при этом излучатели представляют собой воздушные патч-антенны и в составе модуля имеют двухуровневую структуру: на нижнем уровне располагаются четыре линии задержки и микрополосковый сумматор 1:4, а на верхнем уровне располагаются квадратные пластины патч-антенн, при этом каждая патч-антенна возбуждается в двух точках с помощью зондов с фазовым сдвигом 90° между ними, кроме этого в составе модуля две верхние и две нижние патч-антенны попарно имеют одинаковое расположение и фазу возбуждения, но верхние патч-антенны представляют собой копии нижних патч-антенн, повернутых относительно своего геометрического центра на 180° и имеющих фазу возбуждения, отличающуюся на 180° от фазы верхних патч-антенн, далее модули объединяются в подрешетки в виде квадрата по 2×2 модуля, и сигнал от них суммируется с помощью полоскового сумматора 1:4, при этом модули последовательно повернуты относительно центра подрешетки на 90° с последовательным сдвигом фазы возбуждения на 90°, далее подрешетки объединяются в решетку антенны в виде квадрата 2×2 подрешеток без их разворота относительно центра решетки антенны, и сигналы с них синфазно (без сдвига фаз) суммируются в сумматоре 1:4.
1,7ГТц
1,7ггц
2
Работа антенны приема радиосигнала L-диапазона круговой поляризации поясняется фигурами 3-5. Решетка антенны состоит из 64 одинаковых излучателей, которые объединены по четыре излучателя в 16 одинаковых модулей 6 в виде квадрата 2×2 излучателя. Каждый излучатель представляет собой воздушную патч-антенну, поэтому модуль имеет двухуровневую структуру. На верхнем уровне располагаются четыре пластины 1 патч-антенн размером 88×88 (0,50⋅λ×0,50⋅λ) мм и расстоянием между пластинами 49 мм, что равно половине длины радиоволны с учетом диэлектрической проницаемости подложки, изготовленной из ФАФ-4Д, при этом каждая патч-антенна возбуждается в двух точках 3 и 4 с помощью зондов с фазовым сдвигом 90° между ними. Сдвиг фаз зондов на 90° обеспечивается микрополосковой линией задержки 2, изготовленной на фольгированном СВЧ-диэлектрике марки ФАФ-4Д толщиной 1,5 мм. На нижнем уровне располагаются микрополосковые линии задержки 2, обеспечивающие сдвиг фаз зондов на 90° и изготовленные на фольгированном СВЧ-диэлектрика марки ФАФ-4Д толщиной 1,5 мм, а также микрополосковый сумматор 1:4 - 5, изготовленный на том же фольгированном СВЧ-диэлектрике, при этом экран микрополоскового делителя является одновременно экраном и для патч-антенн. Такая конструкция излучателя обеспечивает прием радиоизлучения L-диапазона круговой поляризации каждым излучателем. В составе модуля две верхние и две нижние патч-антенны, смотри фиг. 3, попарно имеют одинаковое расположение и фазу возбуждения, но верхние патч-антенны представляют собой копии нижних патч-антенн, повернутых относительно своего геометрического центра и имеющих фазу возбуждения, отличающуюся на 180° от фазы верхних патч-антенн. В микрополосковом сумматоре 5 при суммировании сигналов с помощью длины дорожек учитываются фазы сигналов от каждого излучателя. Далее модули 6 объединяются в подрешетки в виде квадрата по 2×2 модуля, при этом модули последовательно повернуты относительно центра подрешетки на 90° с последовательным сдвигом фазы возбуждения на 90°, как это изображено на фигуре 4. Фазовый сдвиг обеспечивается за счет разности длин коаксиальных кабелей, соединяющих модули с сумматором 7. Такое построение подрешетки формирует в ней контуры вращения 8 и 9. Как видно из фигуры 4, все излучатели подрешетки формируют контуры вращения с учетом фазовых задержек как в микрополосковых сумматорах 5, так и в сумматоре 7, что обеспечивает высокое качество приема радиосигнала круговой поляризации. Подрешетки, в свою очередь, объединены в решетку, состоящую из 2×2 подрешеток без разворота подрешеток, поэтому возбуждение подрешеток происходит без сдвига фаз возбуждения с помощью суммирования сигналов подрешеток сумматором 10 и СВЧ кабелями равной длины, как это показано на фигуре 5. Такое построение подрешетки формирует в ней контуры вращения, когда все излучатели подрешеток формируют контуры вращения с учетом фазовых задержек как в микрополосковых сумматорах 5, так и сумматорах 7 и 10, что обеспечивает высокое качество приема радиосигнала круговой поляризации.
Разработанная антенная решетка в рабочей полосе частот 1,7±0,2 ГГц имеет КСВН менее 1,3, коэффициент эллиптичности не менее 0,95 и коэффициент усиления до 24,5 дБ.
Проведенный анализ приема спутниковых данных показал эффективность использования антенны такого типа. На фигуре 6 представлен трек пролета спутника Fen Yung 3С с информацией о принятом с помощью описанной в изобретении антенны сигнале, где цифры слева от трека указывают коэффициент усиления принятого сигнала в дБ, а цифры справа указывают время пролета спутника. Из фигуры 6 видно, что полуширина диаграммы направленности антенны не превышает 10°, и при угле 15° от оси диаграммы направленности проявляется боковой лепесток диаграммы.
Так как представленная антенна имеет ширину диаграммы направленности около 10°, то целесообразно устанавливать ее на опорно-поворотное устройство. Так как вес антенны мал и требования к качеству плоскостности антенны минимальны, то опорно-поворотное устройство может быть уменьшено в разы по сравнению со стандартной антенной параболического типа с аналогичными параметрами приема.
Кроме этого, целесообразно использовать такую антенную решетку для приема сигналов искусственных спутников Земли и в других диапазонах радиоволн, например, в Х-диапазоне.