плоская антенна
Классы МПК: | H01Q13/18 со щелью, находящейся позади стенки объемного резонатора, или со щелью, образованной этой стенкой |
Автор(ы): | Андронов Б.М., Бородин Ю.Ф., Войтович Н.И., Вороной В.Н., Каценеленбаум Б.З., Коршунова Е.Н., Кочешев В.Н., Пангонис Л.И., Переяславец М.Л., Расин А.М., Репин Н.Н., Сивов А.Н., Чуприн А.Д., Шатров А.Д. |
Патентообладатель(и): | Андронов Борис Михайлович, Бородин Юрий Федорович, Войтович Николай Иванович, Вороной Виталий Николаевич, Каценеленбаум Борис Захарович, Коршунова Евгения Николаевна, Кочешев Виктор Николаевич, Пангонис Людас Иозович, Переяславец Михаил Леонидович, Расин Аркадий Моделевич, Репин Николай Николаевич, Сивов Алексей Николаевич, Чуприн Андрей Дмитриевич, Шатров Александр Дмитриевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1990-06-19 публикация патента:
15.07.1994 |
Использование: антенные системы для спутникового телевизионного вещания. Сущность изобретения: плоская антенна представляет собой многослойную структуру, состоящую из размещенных одна под другой плоских пластин, содержащих проводящий экран, плосковую схему питания, щелевые излучатели, объемные резонаторы, частично прозрачную поверхность. Введение решетки объемных резонаторов с размерами ячейки больше рабочей длины волны и высотой примерно полволны позволяет уменьшить число излучателей при сохранении КПД, т.е. упростить схему питания и снизить потери. Использование четырех щелей в каждой ячейке, возбужденных известным образом, позволяет осуществить излучение и прием волн с круговой поляризацией. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10
Формула изобретения
1. ПЛОСКАЯ АНТЕННА, содержащая многослойную структуру, образованную экранирующим слоем из электропроводящего материала, слоем с полосковой схемой питания и слоем в виде пластины со щелями, электромагнитно связанными с соответствующими полосковыми проводниками схемы питания, решетку объемных ячеек и переход, связанный с экранирующим слоем и полосковыми проводниками схемы питания, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения потерь, введена частично прозрачная для рабочего диапазона частот пластина, размещенная на решетке объемных ячеек, причем каждая ячейка решетки объемных ячеек выполнена из электропроводящего материала и образует вместе с пластиной с щелями объемный резонатор, при этом длина и ширина ячейки превышает среднюю длину волны![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/8776.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/8776.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016009/729.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к антенной технике, а более конкретно к плоским антеннам. Для приема сигналов со спутников в диапазоне 12 ГГц необходима антенна с высоким коэффициентом усиления. Такому требованию отвечают обычные зеркальные антенны. Однако зеркальные антенны довольно громоздки, их рабочие характеристики ухудшаются при воздействии дождя, снега и ветра. Из-за большой парусности зеркальной антенны, обуславливающей большие ветровые нагрузки, мачта или иное крепление для установки антенны должны быть достаточно жесткими, и следовательно, довольно громоздкими и тяжелыми. Внешний вид зеркальной антенны не гармонирует с внешним видом жилых и общественных зданий. Эти факторы обусловили необходимость разработки плоских антенн. Плоские антенны имеют меньший вес, меньшую парусность, менее подвержены влиянию метеоусловий. Эстетическая согласованность плоских антенн с внешним видом жилых и общественных зданий позволяет устанавливать их на стенах зданий. Так как плоские антенны позволяют вести прием сигналов спутника через оконные стекла, то они могут устанавливаться непосредственно в квартирах. Известна плоская антенная решетка, состоящая из экранирующего слоя в виде пластины из электропроводящего материала и размещенного над ним излучающего слоя, содержащего резонаторные печатные излучатели и схему питания из электропроводящего материала, и диэлектрической прокладки между этими слоями (Marata Takao, Ohmaru Kenji "A flat panel antenna with two-layer structure for satellite broadcasting reception", NHK Lab. Note - 1989 - N 374, p. 1-12). Резонаторный печатный излучатель в форме квадрата имеет гальванический контакт с полосками схемы питания. С целью исключения вторичных дифракционных максимумов в диаграмме направленности излучатели расположены друг от друга на расстоянии, равном 0,7-0,9![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
- непосредственным излучением проводников схемы питания;
- излучением вследствие дифракции волн на Т-образных разветвлениях, трансформатора полных сопротивлений и изгибах микрополосковой линии;
- рассением поверхностной волны, распространяющейся вдоль границы диэлектрическая подложка - воздух, на неоднородностях слоя и на кромках антенны;
- тепловыми потерями в диэлектрике слоя и прокладки микрополосковой линии;
- тепловыми потерями в полосках и экране микрополосковой линии. Известна плоская антенна для приема волн СВЧ-диапазона, переданных с геостационарного вещательного спутника (USA, 4851855), содержащая систему плоских компланарных печатных излучателей, расположенных между двумя слоями из синтетической смолы. Одна из поверхностей системы излучателей представляет собой раскрыв антенны. Антенна также содержит плоскую схему питания, образованную полосками из электрически проводящего материала и расположенную между двумя слоями из синтетической смолы, и размещенный под ней плоский экран. Система излучателей и схема питания, схема питания и экран разделены между собой прокладками. Прокладки в указанной антенне выполнены в виде рамы из металла, синтетической смолы или дерева. Фидерная сеть антенны представляет собой подвешенную симметричную полосковую линию. Благодаря использованию полосковой линии в известной антенне исключены потери, обусловленные непосредственным излучением проводников схемы питания, излучением вследствие дифракции волн на Т-образных разветвлениях, трансформаторах полных сопротивлений и изгибах микрополосковой линии, уменьшены тепловые потери в диэлектрике полосковой линии. Однако известная антенна также имеет большие тепловые потери в центральном проводнике и экранах полосковой линии вследствие большой протяженности полосков, большого количества двоичных делителей мощности, трансформаторов полных сопротивлений, изгибов линии. Известна плоская антенна в виде многослойной структуры, образованной экранирующим слоем из электропроводящего материала, слоем с полосковой схемой питания и излучающим слоем в виде пластины со щелевыми излучателями, электромагнитно связанными с соответствующими полосками схемы питания. Указанные слои разделены друг от друга диэлектрическими прокладками. С экранирующим слоем и полосками схемы питания связан переход. Гальваническая связь проводников слоев со схемой питания и с щелевыми излучателями отсутствует (Hirofumi Ishizaki "Square Antennas Edge Jnto BS Antenna Market" - JEI, 1990, vol. 37, N 8, серия N 432, pp. 63-64). В режиме передачи антенна работает следующим образом. Сигнал от передатчика подается на вход перехода и далее через схему питания подводится к щелевым излучателям. Щели возбуждаются полем электромагнитной волны, распространяющейся вдоль полосковой линии. Однако известная антенна также имеет большие тепловые потери в полосковом проводнике и экранах полосковой линии вследствие большой протяженности фидерной линии, большого количества двоичных делителей мощности, трансформаторов полных сопротивлений, изгибов линии, большого погонного ослабления мощности в линии, которое не представляется возможным уменьшить. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой антенне является выбранная в качестве прототипа плоская антенная решетка, состоящая из подвешенной микрополосковой линии, образованной проводником на диэлектрической пленке, подвешенной между двумя металлическими пластинами. Пластины снабжены отверстиями, расположенными в ряд попарно на уровне выступающих выводов (штырей) проводника микрополосковой линии. Антенна дополнена отражающей пластиной, обуславливающей одностороннее излучение антенны. Кроме того, с целью улучшения согласования выводов микрополосковой линии с излучающими элементами решетки и вследствие этого увеличения коэффициента усиления в антенну введена решетка объемных ячеек, стенки которых образуют волноводы [EPO 252779A]. Однако такая антенна также имеет большие тепловые потери. Дело в том, что в диапазоне 12 ГГц основной вклад в погонное затухание волны в полосковой линии с хорошим диэлектриком в качестве заполнителя линии вносят тепловые потери в проводниках - в полоске и в экранах линии. Потери в линии возрастают с ухудшением согласования в фидерной сети. Согласование же существенным образом зависит от количества щелевых излучателей, так как с ростом их количества в антенной решетке увеличивается количество двоичных делителей мощности, трансформаторов полных сопротивлений, изгибов линии. Так, например, решетка, имеющая 2М= 256 излучателей имеет число М = 9 двоичных делений мощности в антенне с линейной поляризацией и М + 1 = 10 делителей на пути от входа антенны до излучателя круговой поляризации. В связи с высокой плотностью излучателей в решетке изгибы в линии выполняются прямоугольными. Большое количество элементов фидерного тракта в решетке, резкие изломы полоскового проводника ухудшают согласование в линии и вследствие этого приводят к повышению потерь в антенне. Целью настоящего изобретения является уменьшение потерь в антенне. Поставленная цель достигается тем, что в плоскую антенну в виде многослойной структуры, образованной экранирующим слоем из электропроводящего материала, слоем с полосковой схемой питания и слоем в виде пластины со щелями, электромагнитно связанными с соответствующими полосками схемы питания, а также слой в виде решетки объемных ячеек и переход, связанный с экранирующим слоем и полосками питания, введена частично прозрачная для диапазона принимаемых волн пластина, размещенная на решетке объемных ячеек, причем решетка объемных ячеек выполнена из электропроводящего материала и расположена на пластине со щелями с образованием каждой из ее ячеек объемного резонатора, в котором размещена по меньшей мере одна щель, при этом длина и ширина каждой ячейки превышает среднюю длину волны, а ее высота а =
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
Ex=cos
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016444/2016444t.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016444/2016444-2t.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016227/969.gif)
Ey=cos
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016444/2016444-3t.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016444/2016444-4t.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016227/969.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016227/969.gif)
l - длина сторон резонатора,
а - высота резонатора. Амплитуды колебаний более высокого порядка малы по сравнению с амплитудой основного колебания вследствие избирательных свойств резонатора. В результате прохождения волны через слой 11 в раскрыве антенны формируется распределение поля по закону:
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016444/2016444-5t.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016444/2016444-6t.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016444/2016444-7t.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016227/969.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016444/2016444-8t.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016444/2016444-9t.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016227/969.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
- уменьшается длина проводников схемы питания;
- уменьшается количество двоичных делителей мощности в схеме питания и, соответственно, уменьшается количество трансформаторов сопротивлений и изгибов линии питания;
- в связи с меньшей плотностью элементов схемы делители мощности выполняются не в виде прямоугольных переходов, а в виде плавного изгиба проводников в местах разветвлений;
- полосковая линия выполняется широкими полосками 3. При использовании более широких полосков 3 в полосковой линии уменьшается величина погонного ослабления волны в линии. Уменьшение количества элементов схемы, применение плавных переходов позволяет получить лучшее согласование в схеме, что снижает потери в линии, обусловленные многократными отражениями волн от неоднородностей схемы. Уменьшение длины проводников схемы питания уменьшает потери в линии. Кроме того, выбор широких полосков 3 для фидерного тракта снижает требования к точности изготовления тракта. Вследствие использования резонаторов предложенная антенна имеет более высокую избирательность по частоте по сравнению с известными плоскими антенными решетками, излучающими элементами которых служат щели, микрополосковые коленчатые линии, диполи, микрополосковые излучатели, рупоры. В связи с этим при приеме сигналов спутника непосредственного телевизионного вещания снижается влияние помех вне рабочей полосы. Предложенная антенна по сравнению с применяемыми в настоящее время зеркальными антеннами для систем непосредственного телевизионного вещания обладает преимуществом в отношении конструктивной и эстетической согласованности с интерьером квартир, с внешним видом жилых и общественных зданий, имеет существенно меньший размер в направлении излучения волн. Ниже приведены примеры, подтверждающие возможность реализации предлагаемого изобретения. В первом варианте выполнения плоской антенны, соответствующем количеству 1 х 1 ячеек 10 в решетке 9, пластина слоя 4 имеет два ряда ортогонально расположенных щелей по два излучателя 5 и 6 в каждом ряду, как показано на фиг. 3. Внутренние размеры ячейки 10 решетки 9 равны 95 х 95 мм. Щели расположены в точках с координатами A ( - 47,5; 0); B (47,5; 0); C (0; 47,5); D (0; - 47,5). Высота стенок решетки 9 равна 11,7 мм. Слой 11 выполнен путем перфорации медной пластины толщиной 1 мм квадратными отверстиями 12 размером 7,5 х 7,5 мм. Период перфорации по обеим координатам равен 11,5 мм. Схема питания выполнена на основе симметричной полосковой линии. Ширина полоска 3 равна 3,8 мм, толщина - 0,018 мм. Высота полосковой линии - 3 мм. Прокладки 7 и 8 выполнены из вспененного полистирола. По данным измерений волноводным методом диэлектрическая проницаемость вспененного полистирола равна 1,13, тангенс угла диэлектрических потерь равен 5
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016009/729.gif)
![плоская антенна, патент № 2016444](/images/patents/457/2016012/955.gif)
Класс H01Q13/18 со щелью, находящейся позади стенки объемного резонатора, или со щелью, образованной этой стенкой