многодиапазонная микрополосковая антенна этажерочного типа

Формула изобретения

1. Многодиапазонная микрополосковая антенна этажерочного типа, состоящая из первого антенного элемента, второго антенного элемента, третьего антенного элемента и четвертого антенного элемента, каждый из которых включает печатный проводник и диэлектрическую подложку, разделительной платы, включающей две изолированные друг от друга печатные проводящие площадки и диэлектрическую подложку, высокочастотного коаксиального кабеля, передающей линии, первого штыря, второго штыря, проводящего экрана, первого высокочастотного соединителя и второго высокочастотного соединителя, причем каждый антенный элемент имеет отверстие в центре для прохождения коаксиального кабеля и отверстие на расстоянии от центра для прохождения соответственно первого и второго штырей, каждый печатный проводник антенного элемента имеет «окно», большего по сравнению с диаметром штыря размера для бесконтактного прохождения сквозь него штыря, при этом указанные «окна» в печатных проводниках первого и третьего антенных элементов выполнены круглой формы, а «окна» в печатных проводниках второго и четвертого антенных элементов выполнены грушевидной формы с ориентацией узкой части к краю печатного проводника, разделительная плата имеет отверстие в центре для прохождения коаксиального кабеля и одно отверстие вне центра для прохождения второго штыря, все четыре антенных элемента и разделительная плата скреплены между собой, а печатные проводники антенных элементов электрически соединены в центре с внешним проводником высокочастотного коаксиального кабеля, соединенным электрически с проводящим экраном через первый высокочастотный соединитель, при этом внутренний проводник высокочастотного коаксиального кабеля одним концом электрически соединен с первым высокочастотным соединителем, а другим концом электрически соединен с одним концом передающей линии, второй конец передающей линии электрически соединен с первым штырем, который пропущен через отверстия в первой и второй диэлектрических подложках и в их печатных проводниках без электрического контакта с ними и электрически соединен с первой печатной проводящей площадкой разделительной платы, а второй штырь одним концом электрически соединен с центральным проводником второго высокочастотного соединителя, пропущен через отверстия в диэлектрических подложках третьего и четвертого антенных элементов, в разделительной плате и в печатных проводниках без электрического контакта с ними и электрически соединен со второй печатной площадкой разделительной платы, причем первый и второй высокочастотные соединители установлены на проводящем экране и служат для подключения к ним подводящих фидеров передающих или приемных устройств.

2. Многодиапазонная микрополосковая антенна этажерочного типа по п.1, отличающаяся тем, что передающая линия выполнена в виде несимметричной микрополосковой линии, в которой роль земляной пластины выполняет печатный проводник первого антенного элемента.

3. Многодиапазонная микрополосковая антенна этажерочного типа по п.1, отличающаяся тем, что передающая линия выполнена в виде копланарной линии в топологии печатного проводника первого антенного элемента, причем внешний проводник высокочастотного коаксиального кабеля имеет косой срез на конце и электрически присоединяется в центре к печатному проводнику первого антенного элемента по полукругу, чтобы не перемыкать копланарную линию.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к антенной технике и может быть широко использовано в качестве самостоятельной приемной, передающей или приемопередающей многодиапазонной антенны или элемента фазированной антенной решетки. В частности, антенна может применяться как приемная антенна в аппаратуре пользователей космических навигационной систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS и т.п.), работающей одновременно в диапазонах L1, L2 и L3, или в качестве элемента фазированной антенной решетки с адаптивной обработкой сигналов для формирования «нулей» в диаграмме направленности (ДН) в направлении прихода преднамеренных или непреднамеренных (отраженных) помех в той же аппаратуре.

Наиболее компактным способом построения многочастотных микрополосковых антенн (МПА) является способ, при котором антенны на различные частотные диапазоны размещаются друг над другом таким образом, что антенны на более высокие частотные диапазоны расположены над антеннами на более низкие частотные диапазоны. Причем каждая упомянутая антенна служит земляной плоскостью для антенны над ней. Такие антенны получили название МПА этажерочного типа. Они могут запитываться от одного фидера, или от двух и более. В первом случае либо только одна антенна возбуждается непосредственно от фидера, а остальные связаны с ней посредством паразитной связи, либо запитываемые антенны объеденены с помощью согласующе - суммирующего устройства. Во втором случае каждая или несколько антенн запитываются от раздельных фидеров.

Основным недостатком МПА этажерочного типа является большое взаимное влияние элементов антенны, обеспечивающих ее работу в различных частотных диапазонах, и, как следствие, искажение формы диаграммы направленности (ДН) в каждом из рабочих частотных диапазонов и малая взаимная развязка выходов антенны, что может помешать устойчивой работе входных каскадов приемных устройств. Взаимную развязку выходов антенны иногда удается улучшить за счет применения специальных схем питания многочастотной МПА, однако кардинально решить проблему сложно, тат как трудно устранить или хотя бы сильно ослабить электромагнитную связь между соседними «этажами» антенны. Причем эта связь проявляется тем сильнее, чем ближе находятся рабочие частотные диапазоны смежных антенн в МПА этажерочного типа.

Известна связная двухчастотная микрополосковая антенна с круговой поляризацией поля, состоящая из плоского экрана, первого антенного элемента для связи в первом частотном диапазоне и второго антенного элемента для связи во втором частотном диапазоне (патент США №4218682, опубл. 19.08.80 г.). Первый антенный элемент содержит электропроводящую пластину эллиптической формы, отделенную от проводящей плоскости. Второй антенный элемент также содержит электропроводящую пластину эллиптической формы, расположенную между первым антенным элементом и экранной плоскостью и отделенную от них. Возбуждающее устройство содержит проводник, проходящий через второй антенный элемент, соединенный с первым антенным элементом в точке возбуждения и электрически изолированный от второго антенного элемента и экранной плоскости. Второй антенный элемент в центре электрически соединен с экранной плоскостью с помощью второго проводника. Недостатком конструкции данной двухчастотной МПА является то, что второй антенный элемент возбуждается от первого посредством паразитной связи с ним, поэтому имеет место их большое взаимное влияние.

Известна двухчастотная микрополосковая антенна, предназначенная для использования в глобальной навигационной спутниковой системе GPS в качестве самостоятельной антенны или элемента адаптивной антенной решетки, состоящая из двух расположенных друг над другом дисковых излучателей различного диаметра, разделенных диэлектрической пластиной и установленных соосно на вертикальной металлической стойке, замкнутой на основание антенны (патент США №4827271, МКИ⁴ Н01Q 1/38, опубл. 02.05.1989 г.). Между основанием и дисками также установлена пластина диэлектрика. Основанием антенны служит внешняя обкладка направленного ответвителя (НО), выполненного на связанных полосковых линиях и питающего пару штырей, проходящих через отверстия в основании и нижнем дисковом излучателе и подключенных к верхнему дисковому излучателю в точках, расположенных под углом 90° относительно центра диска (для обеспечения излучения поля круговой поляризации). Радиальное расстояние, на котором подключены штыри к верхнему диску, выбрано из условия импедансного согласования верхнего дискового излучателя со штырями в верхнем частотном диапазоне, а отверстия в нижнем дисковом излучателе выполнены грушевидной формы для обеспечения его импедансного согласования со штырями в нижнем частотном диапазоне. Запитывается двухчастотная микрополосковая антенна от общего коаксиального кабеля. Основной недостаток описанной двухчастотной МПА заключается в том, что верхний излучающий диск имеет емкостную связь с нижним диском, что дополнительно возбуждает нижний дисковый излучатель.

Известна также двухчастотная антенна, предназначенная для использования в качестве приемной антенны навигационных приемников глобальной навигационной спутниковой системы, состоящая из двух подложек, на которые нанесены микрополосковые резонансные элементы частотных диапазонов L1, L2 (патент ФРГ №DE 3814382 А1, опубл. 9.11.89). Основанием антенны служит внешняя обкладка согласующего устройства, выполненного на симметричных полосковых линиях и питающего пару штырей, один из которых подключен к нижнему резонансному элементу, а второй пропущен через отверстие в центре первого резонансного элемента и подключен к верхнему резонансному элементу на некотором удалении от его центра. Запитывается двухчастотная микрополосковая антенна через согласующее устройство от общего коаксиального кабеля. Основной недостаток этой реализации МПА этажерочного типа заключается в том, что верхний излучающий диск имеет емкостную связь с нижним диском, что приводит к нарушению работы согласующего устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является многочастотная микрополосковая антенна этажерочного типа с улучшенной развязкой выходов, содержащая первую группу микрополосковых антенн, каждая из которых включает свою излучающую плату и имеет свой рабочий частотный диапазон, и вторую группу микрополосковых антенн, каждая из которых включает свою излучающую плату и имеет свой рабочий частотный диапазон, причем каждая антенна второй группы расположена под соответствующей антенной первой группы, а все излучающие платы разделены диэлектрическими пластинами и расположены одна под другой по закону убывания собственных резонансных частот (патент США №6639558 В2, опубл. 07.08.2003 г.).

Все излучающие платы из первой группы антенн, за исключением самой нижней, запитываются первым коаксиальным кабелем, который содержит множество раздельных коаксиальных проводников и проходит в центре через апертуры всех излучающих плат из первой и второй групп антенн, причем первый (самый внутренний) проводник упомянутого кабеля подсоединен к самой верхней плате первой группы в ее центре, а каждый последующий проводник подсоединен к более нижней излучающей плате первой группы также в ее центре. В итоге каждая излучающая плата запитывается своим коаксиальным кабелем. Верхняя плата может содержать вытравленную в ней передающую линию для запитки излучающего элемента вне центра. Самая нижняя излучающая плата из первой группы антенн запитывается вторым коаксиальным кабелем на некотором расстоянии от ее центра.

Все излучающие платы из второй группы антенн не имеют электрического контакта с проходящим через них коаксиальным проводником кабеля и запитываются от соответствующих верхних антенн первой группы за счет индуктивной связи с ними.

Высокая развязка входов антенны (лучше 20 дБ) достигнута для случая запитки верхней излучающей платы строго в центре.

Недостатком данной реализации МПА является то, что верхний ряд микрополосковых антенн при запитке в центре возбуждается в высших модах, дающих провал диаграммы направленности в осевом направлении.

Техническим результатом изобретения является улучшение диаграммы направленности многодиапазонной антенны, в основном в осевой области, с обеспечением высокой развязки ее выходов.

Для достижения указанного технического результата предлагается многодиапазонная микрополосковая антенна этажерочного типа, состоящая из первого антенного элемента, второго антенного элемента, третьего антенного элемента и четвертого антенного элемента, каждый из которых включает печатный проводник и диэлектрическую подложку, разделительной платы, включающей две изолированные друг от друга печатные проводящие площадки и диэлектрическую подложку, высокочастотного коаксиального кабеля, передающей линии, первого штыря, второго штыря, проводящего экрана, первого высокочастотного соединителя и второго высокочастотного соединителя, причем каждый антенный элемент имеет отверстие в центре для прохождения коаксиального кабеля и отверстие на расстоянии от центра для прохождения соответственно первого и второго штырей, каждый печатный проводник антенного элемента имеет «окно», большего по сравнению с диаметром штыря размера для бесконтактного прохождения сквозь него штыря, при этом указанные «окна» в печатных проводниках первого и третьего антенных элементов выполнены круглой формы, а «окна» в печатных проводниках второго и четвертого антенных элементов выполнены грушевидной формы с ориентацией узкой части к краю печатного проводника, разделительная плата имеет отверстие в центре для прохождения коаксиального кабеля и одно отверстие вне центра для прохождения второго штыря, все четыре антенных элемента и разделительная плата скреплены между собой, а печатные проводники антенных элементов электрически соединены в центре с внешним проводником высочастотного коаксиального кабеля, соединенным электрически с проводящим экраном через первый высокочастотный соединитель, при этом внутренний проводник высокочастотного коаксиального кабеля одним концом электрически соединен с первым высокочастотным соединителем, а другим концом электрически соединен с одним концом передающей линии, второй конец передающей линии электрически соединен с первым штырем, который пропущен через отверстия в первой и второй диэлектрических подложках и в их печатных проводниках без электрического контакта с ними и электрически соединен с первой печатной проводящей площадкой на разделительной плате, а второй штырь одним концом электрически соединен с центральным проводником второго высокочастотного соединителя, пропущен через отверстия в диэлектрических подложках третьего и четвертого антенных элементов, в разделительной плате и в печатных проводниках без электрического контакта с ними и электрически соединен со второй печатной площадкой на разделительной плате, причем первый и второй высокочастотные соединители установлены на проводящем экране и служат для подключения к ним подводящих фидеров передающих или приемных устройств.

При этом дополнительные отличия заключаются в том, что передающая линия может быть выполнена в виде несимметричной микрополосковой линии, в которой роль земляной пластины выполняет печатный проводник первого антенного элемента, и в том, что передающая линия может быть выполнена в виде копланарной линии в топологии печатного проводника первого антенного элемента, причем внешний проводник высокочастотного коаксиального кабеля имеет косой срез на конце и электрически присоединяется в центре к печатному проводнику первого антенного элемента по полукругу, чтобы не перемыкать копланарную линию.

Многодиапазонная микрополосковая антенна этажерочного типа изображена на чертеже и состоит из первого антенного элемента (1), второго антенного элемента (2), третьего антенного элемента (3) и четвертого антенного элемента (4), каждый из которых включает печатный проводник (1а, 2а, 3а, 4а) и диэлектрическую подложку (1б, 2б, 3б, 4б), разделительной платы (5), включающей две печатные проводящие площадки (5а, 5б) и диэлектрическую подложку (5в), высокочастотного коаксиального кабеля (6), передающей линии (7), первого штыря (8), второго штыря (9), проводящего экрана (10), первого высокочастотного соединителя (11), второго высокочастотного соединителя (12).

Каждый антенный элемент имеет отверстие в центре для прохождения коаксиального кабеля (6) и два отверстия на определенных расстояниях от центра для прохождения первого и второго штырей (8), (9), а каждый печатный проводник имеет в металлизации «окно», большего по сравнению с диаметром штыря размера для бесконтактного прохождения сквозь него первого или второго штырей (8), (9). «Окна» в печатном проводнике (3а) третьего антенного элемента (3) и в печатном проводнике (1а) первого антенного элемента выполнены круглой формы, а «окна» в печатных проводниках (2а) и (4а) второго антенного элемента (2) и четвертого антенного элемента (4) выполнены грушевидной формы с ориентацией узкой части к краю печатного проводника. Разделительная плата (5) также имеет отверстие в центре для прохождения коаксиального кабеля (6) и одно отверстие вне центра для прохождения второго штыря (9). Все четыре антенных элемента и разделительная плата скреплены (склеены) между собой, а печатные проводники (1а, 2а, 3а, 4а) припаяны в центре к внешнему проводнику коаксиального кабеля (6). Таким образом, все антенные элементы зашунтированы в центре на землю (внешний проводник коаксиального кабеля электрически соединен с экраном (10) через первый высокочастотный соединитель (11).

Передающая линия (7) может быть выполнена в виде обычной несимметричной микрополосковой линии, в которой роль земляной пластины выполняет печатный проводник (1а) первого антенного элемента (1), либо в виде копланарной линии в топологии самого печатного проводника (1а), что технологичнее. В последнем случае внешний проводник коаксиального кабеля (6) должен иметь косой срез на конце и запаиваться в центре к верхнему печатному проводнику (1а) по полукругу, чтобы не перемыкать копланарную линию.

Высокочастотный кабель (6) одним концом электрически соединен с первым высокочастотным соединителем (11), а другим концом в центре электрически соединен с одним концом передающей линии (7). Второй конец передающей линии электрически соединен с первым штырем (8), который пропущен через отверстия в диэлектрических подложках (1б), (2б) и в печатных проводниках (1а), (2а) без электрического контакта с ними и электрически соединен с печатной проводящей площадкой (5а) разделительной платы (5).

Второй штырь (9) одним концом электрически соединен с центральным проводником высокочастотного соединителя (12), пропущен через отверстия в диэлектрических подложках (4б), (3б), разделительной плате (5) и в печатных проводниках (4а), (3а) без электрического контакта с ними и электрически соединен с печатной проводящей площадкой (5б)разделительной платы (5).

Печатные проводящие площадки (5а), (5б) образуют разделительные емкости с печатным проводником (3а). Их назначение - компенсация собственных индуктивностей штырей (8), (9). Место их расположения выбирается из условия оптимального согласования по импедансу входов антенны с подводящими фидерами в рабочих частотных диапазонах.

Высокочастотные соединители (11), (12) установлены на проводящем (земляном) экране (10) и служат для подключения к ним подводящих фидеров передающих или приемных устройств.

Проводящий экран (10) служит для создания однонаправленного излучения (приема) многодиапазонной микрополосковой антенны.

Принцип работы микрополосковой антенны хорошо известен и состоит в том, что при подаче высокочастотного сигнала на вход антенны в ней возбуждаются высокочастотные колебания определенного типа, а излучение осуществляется за счет поля, «выступающего» из кромок антенны, а именно из зазоров между печатным проводником антенного элемента и экранной плоскостью. В качестве экранной плоскости во всех рассмотренных аналогах МПА этажерочного типа используется излучающая плата нижнего антенного элемента.

В каждом антенном элементе возможно возбуждение множества типов колебаний (мод), но только самая низшая из них формирует осевую ДН, высшие типы колебаний дают тороидальные ДН с провалом в осевом направлении. Низшими типами колебаний для простейших видов излучающих печатных проводников являются: мода ТМ10 для прямоугольного и треугольного излучателей, мода ТМ11 для круглого излучателя и т.п. Все эти моды характеризуются таким распределением поля между печатным проводником и экранной плоскостью, при котором электрическое поле обращается в ноль в центре излучающего проводника (имеет так называемую точку нулевого потенциала). Входное сопротивление также изменяется от нулевого значения в центре до максимального, равного сопротивлению излучения антенного элемента у кромки излучающего печатного проводника. Для согласования антенного элемента с питающим штырем точку его подключения (точку питания) необходимо совместить с точкой, в которой входное сопротивление равно 50 Ом на центральной частоте диапазона. Это расстояние от центра излучающего печатного проводника составляет примерно треть от половины его размера. В рабочем диапазоне частот входное сопротивление становится комплексным, а диапазон согласования по заданному значению КСВн тем шире, чем толще диэлектрическая подложка антенного элемента.

Ширина диаграммы направленности (ДН) антенного элемента определяется апертурой печатного проводника, которая в свою очередь для фиксированной рабочей частоты обратно пропорциональна величине диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки. С увеличением диэлектрической проницаемости подложки апертура печатного проводника уменьшается, а ширина ДН увеличивается. Печатные проводники (1а), (2а), (3а), (4а) могут иметь различную конфигурацию, включая конфигурации, обеспечивающие излучение поля круговой поляризации.

В заявляемой антенне антенные элементы (1), (2), (3), (4) расположены друг под другом по закону убывания их частотных диапазонов. Следовательно, размеры печатных проводников (1а), (2а), (3а), (4а) увеличиваются по мере роста номера элемента. Запитка антенных элементов осуществляется попарно: два нижних антенных элемента запитаны от высокочастотного соединителя (12) через второй штырь (9), а два верхних антенных элемента запитаны от высокочастотного соединителя (11) через коаксиальный кабель (6), передающую линию (7) и первый штырь (8).

В двух нижних антенных элементах антенный элемент (3) запитывается от второго штыря (9) через емкость, образованную печатной проводящей площадкой (5б) и печатным проводником (3а), а антенный элемент (4) возбуждается посредством связи второго штыря (9) через упомянутое выше «окно» с печатным проводником (4а) и связи с печатным проводником (3а). Емкость подключается в 50-омной точке антенного элемента (3), а «окно» в печатном проводнике (4а) выполнено грушевидной формы для имитации соединения питающего штыря с антенным элементом (4) на большем удалении от центра, чем это имеет место в действительности (размер печатного проводника (4а), как уже отмечалось, больше размера печатного проводника (3а)).

В двух верхних антенных элементах антенный элемент (2) запитывается от первого штыря (8) через емкость, образованную печатной проводящей площадкой (5а) и печатным проводником (3а), а антенный элемент (1) возбуждается посредством связи первого штыря (8) через упомянутое выше «окно» с печатным проводником (2а) и связи с печатным проводником (3а). Емкость подключается в 50-омной точке антенного элемента (1), а «окно» в печатном проводнике (2а) выполнено грушевидной формы для имитации соединения питающего штыря с антенным элементом (2) на большем удалении от центра, чем это имеет место в действительности.

При конструировании МПА заявляемого типа штыри (8), (9) необходимо разнести в пространстве для исключения связи между ними.

Отметим, что два нижних антенных элемента запитываются традиционно - снизу, а два верхних элемента запитываются сверху. В результате антенные элементы (1), (2) оказываются включеными в обратном направлении, т.е. встречно по отношению к двум нижним антенным элементам (3) и (4). Излучение двух верхних антенных элементов происходит в сторону печатного проводника меньшего размера, т.е. в сторону «земляного» печатного проводника (получаем вариант так называемой обращенной МПА), поэтому все антенные элементы в заявляемой антенне имеют однонаправленное излучение.

Развязка входов МПА этажерочного типа при встречном включении антенных элементов, запитываемых от различных входов, увеличивается при их работе в основных модах колебаний вследствие уменьшения паразитной связи между антенными элементами по ближнему полю.

Коаксиальный кабель (6) проходит в центре всех антенных элементов в точках нулевых потенциалов полей и никак не влияет на их работу. Более того, он выполняет функцию шунтирующего штыря, подавляющего возбуждение высших мод в антенных элементах.

Антенные элементы (1), (2), (3) и (4) могут иметь резонансные частоты, сильно отличающиеся друг от друга. В этом случае МПА будет иметь четыре рабочих частотных диапазона. В случае, если антенные элементы (1) и (2) либо (3) и (4) имеют близкие резонансные частоты, заявленная МПА будет иметь три рабочих частотных диапазона, причем один из них будет расширенным (антенные элементы (1) и (2) или (3) и (4) будут работать как связанные антенные элементы). В случае, если антенные элементы (1) и (2), а также (3) и (4) имеют попарно близкие резонансные частоты, заявленная МПА будет иметь два рабочих частотных диапазона, причем оба будут расширенными.

Отметим, что вследствие встречного включения антенных элементов в МПА этажерочного типа развязка выходов практически не будет зависеть от величины разноса резонансных частот антенных элементов.