широкополосная трехдиапазонная рупорно-микрополосковая антенна

Формула изобретения

Широкополосная трехдиапазонная рупорно-микрополосковая антенна, состоящая из рупора, выполненного из хорошо проводящего материала, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатора, образованного экраном-рефлектором и пластиной из хорошо проводящего материала, укрепленной соосно и симметрично на первом шунте в форме круглого прямого цилиндра в центре внутренней стороны экрана-рефлектора, при этом плоскость пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору и обеспечен надежный механический и электрический контакт пластины с экраном-рефлектором, и питающая коаксиальная линия, отличающаяся тем, что дополнительно введен второй шунт из хорошо проводящего материала и имеющий форму круглого прямого цилиндра, рупор имеет форму прямого цилиндра с квадратным сечением, а пластина резонатора выполнена в форме равнобедренного треугольника, ось симметрии которого перпендикулярна двум противолежащим боковым стенкам рупора и проходит через их оси симметрии и точку крепления пластины с первым шунтом, а вершина равнобедренного треугольника пластины резонатора дополнена симметрично выступающими полосковыми элементами, местоположение и размеры которых определяются значениями заданных рабочих полос частот, вершина равнобедренного треугольника пластины резонатора соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии надежным электрическим контактом, причем питающая коаксиальная линия подведена к пластине рупора через боковую стенку перпендикулярно к ней, а внешний проводник линии закреплен на боковой стенке надежным электрическим контактом, а второй шунт с одного конца укреплен соосно на пластине резонаторе по середине между первым шунтом и вершиной равнобедренного треугольника, а второй конец закреплен на экране-рефлекторе рупора и обеспечен надежный механический и электрический контакт, причем второй шунт подключается к экрану-рефлектору строго перпендикулярно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к широкополосным (ШП) рупорно-микрополосковым антеннам СВЧ-диапазона, и может быть использовано в метрологии, в системах связи, в радиодефектоскопии, радиомониторинге, в решении задач электромагнитной совместимости.

Известна "Рупорная антенна" (см. Пат. RU №2250542, МПК 7 H01Q 13/02, опубл. 20.04.2005 г., бюл. №11). Она содержит прямоугольный рупор, торец которого закрыт металлической заглушкой, три металлических гребня специальной формы с особым подключением. Антенна обеспечивает прием и передачу сигналов в сравнительно широкой полосе частот с высоким уровнем согласования и линейной фазочастотной характеристикой. Однако она непригодна для работы со значительным классом ШП сигналов из-за недостаточной широкополосности. Кроме того, аналог характеризуется достаточно большими габаритами, величина которых определяется средним значением частоты сигнала.

Известна "Дисковая микрополосковая антенна" (см. А.с. СССР №1573487, МПК 5 H01Q 1/38, опубл. 23.06.90 г., бюл. №23). Она содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен металлический экран, а на другой - проводящий диск, в котором выполнена щель, штыревой зонд, коаксиальный фидер и шунт с соответствующими подключениями. Антенна обеспечивает формирование изотропной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и уменьшение габаритов в 2-4 раза по сравнению с известными образцами.

Известна также "Малогабаритная антенна" (см. А.с. СССР №1141482, МПК 5 H01Q 13/10, опубл. 23.02.1985 г., бюл. №7). Она содержит две металлические пластины, размещенные параллельно металлическому экрану, одна из них соединена с экраном с помощью шунта, а вторая - с питающим фидером, и ферритовое кольцо. Антенна обеспечивает повышение стабильности формы диаграммы направленности (ДН) в рабочей полосе частот при уменьшении габаритов и сохранении коэффициента усиления.

В качестве основного недостатка названных аналогов следует отметить их недостаточную широкополосность для работы с ШП-сигналами современных систем связи с мобильными абонентами, большие размеры, особенно на частотах 450 МГц и ниже.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому устройству является "Ультраширокополосная компактная рупорно-микрополосковая антенна с высокой направленностью" (см. Пат. RU №2289873, МПК 7 H01Q 13/02, опубл. 20.12.2006 г., бюл. №35).

Устройство-прототип содержит усеченный конический рупор, снабженный плоской стенкой на узкой стороне из хорошо проводящего материала и представляющий собой экран-рефлектор, резонатор, образованный экраном-рефлектором и круглой пластиной из хорошо проводящего материала, укрепленной соосно и симметрично на шунте в центре внутренней стороны экрана-рефлектора, а плоскость круглой пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору и обеспечен надежный механический и электрический контакт круглой пластины с экраном-рефлектором, наконечник, выполненный из хорошо проводящего материала и имеющий форму усеченного конуса с диаметром основания и высотой, приблизительно равной половине расстояния между круглой пластиной и экраном-рефлектором. Вершина наконечника соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии, а ось симметрии наконечника перпендикулярна плоскости круглой пластины резонатора и проходит через ее край. Питающая коаксиальная линия подведена к экрану-рефлектору перпендикулярно к нему, а внешний проводник линии закреплен на нем с надежным электрическим контактом. Центральный проводник подсоединен к краю круглой пластины резонатора посредством наконечника с надежным электрическим контактом.

Антенна-прототип обеспечивает прием и передачу сигналов в сравнительно широкой полосе частот (при КСВ=2, f _ср=4,5 ГГц, F=0,6 ГГц). Кроме того, стало возможным при сохранении коэффициента усиления антенны уменьшить ее габариты (примерно в три раза сократить толщину рупора) и снизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности.

Антенна-прототип также обладает существенным недостатком. Она непригодна для работы со значительным классом ШП-сигналов из-за недостаточной широкополосности.

В настоящее время является актуальной задача создания компактных направленных антенн для приема и передачи сигналов в сетях связи с макро- и микросотовой структурой, использующих следующие полосы частот: 450-470 МГц, 890-1000 МГц и 1690-2400 МГц (см. Ратинский М.В. Основы сотовой связи. / Под ред. Д.В.Зимина. - М.: Радио и связь, 1998). Еще большую сложность представляет разработка компактной направленной сверхширокополосной антенны, обеспечивающей эффективный прием и передачу сигналов одновременно во всех названных поддиапазонах частот.

Целью заявляемого технического решения является разработка широкополосной трехдиапазонной компактной антенны, обеспечивающей эффективный прием и передачу сигналов известных стандартов сотовых и транковых систем связи.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, состоящее из рупора, выполненного из хорошо проводящего материала, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатора, образованного экраном-рефлектором и пластиной из хорошо проводящего материала, укрепленной соосно и симметрично на первом шунте в форме круглого прямого цилиндра в центре внутренней стороны экрана-рефлектора, при этом плоскость пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору и обеспечен надежный механический и электрический контакт пластины с экраном-рефлектором, и питающей коаксиальной линии, дополнительно введен второй шунт из хорошо проводящего материала и имеющего форму круглого прямого цилиндра, рупор имеет форму прямого цилиндра с квадратным сечением, а пластина резонатора выполнена в форме равнобедренного треугольника, ось симметрии которого перпендикулярна двум противолежащим боковым стенкам рупора и проходит через их оси симметрии и точку крепления пластины с первым шунтом, а вершина равнобедренного треугольника пластины резонатора дополнена симметрично выступающими полосковыми элементами, местоположение и размеры которых определяются значениями заданных рабочих полос частот, вершина равнобедренного треугольника пластины резонатора соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии надежным электрическим контактом, причем питающая коаксиальная линия подведена к пластине рупора через боковую стенку перпендикулярно к ней, а внешний проводник линии закреплен на боковой стенке надежным электрическим контактом, а второй шунт с одного конца укреплен соосно на пластине резонатора по середине между первым шунтом и вершиной равнобедренного треугольника, а второй конец закреплен на экране-рефлекторе рупора и обеспечен надежный механический и электрический контакт, причем второй шунт подключается к экрану-рефлектору строго перпендикулярно.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что вводится второй шунт и изменяется форма рупора и резонатора, позволяет достичь цели изобретения: разработать эффективную широкополосную трехдиапазонную компактную антенну.

Технический результат достигается за счет создания антенны, объединяющей положительные качества двух различных типов антенн: микрополосковой антенны и рупора с добавлением двух шунтов. Излучатель микрополосковой антенны сконструирован в виде равнобедренного треугольника с добавлением симметрично выступающих полосковых элементов. Комбинация рупора коробчатого типа в виде прямого цилиндра с квадратным сечением (см. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. - М.: Энергия, 1966, стр.509-512) и излучателя названной формы в совокупности с двумя шунтами позволяет получить оптимальное распределение электромагнитного поля по апертуре антенны в трех поддиапазонах частот: 450-470 МГц, 890-1000 МГц и 1690-2400 МГц. При решении поставленной задачи учтена кратность рассматриваемых диапазонов частот. Предложенная конструкция антенны позволяет при сохранении коэффициента усиления уменьшить габаритные характеристики изделия по толщине до значений 0,07 ₁, 0,17 ₂ и 0,29 ₃ (где ₁, ₂ и ₃ - средние частоты используемых поддиапазонов частот), что значительно меньше, чем у прототипа. Кроме того, существенно уменьшены размеры апертуры антенны (для различных частот от 1,25 до 5 раз по сравнению с прототипом). Предлагаемая конструкция антенны позволила существенно увеличить ширину рабочего диапазона частот. Ширина только третьего поддиапазона рабочих частот составила 700 МГц со средней частотой f _ср.3=2 ГГц (у прототипа 600 МГц на f_ср =4,5 ГГц), что соответствует выигрышу заявляемой антенны по широкополосности даже без учета первого и второго поддиапазонов в относительных единицах = f/f_cp в 2,5 раза.

Проведенный анализ уровня техники позволяет установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемой антенны, отсутствуют и, следовательно, заявляемый объект обладает свойством новизны.

Исследования известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемой антенны, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, из которого не выявлена также известность влияния преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения, на достижение результата, что позволяет считать заявляемый объект соответствующим условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявляемая антенна поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 показана полностью собранная антенна в соответствии с заявляемым изобретением;

на фиг.2 иллюстрируется треугольная пластина резонатора в масштабе 1:1;

на фиг.3 приведены габаритные размеры заявляемой антенны;

на фиг.4 иллюстрируется внешний вид рупора с точками крепления пластины резонатора;

на фиг.5 приведен график измеренных частотных характеристик заявляемой антенны (зависимость КСВ от используемых частот) в полосе от 400 МГц до 3,26 ГГц;

на фиг.6 иллюстрируется зависимость КСВ от используемой частоты в полосе 450-470 МГц;

на фиг.7 приведены измеренные значения входного сопротивления антенны для частот 450-470 МГц;

на фиг.8 иллюстрируется зависимость КСВ для полосы частот от 900 до 1000 МГц;

на фиг.9 приведены измеренные значения входного сопротивления антенны для 890-1000 МГц;

на фиг.10 иллюстрируются измеренные значения КСВ в полосе частот 1700-2400 МГц;

на фиг.11 приведены измеренные значения входного сопротивления антенны для частот 1700-2400 МГц;

на фиг.12а, б, в приведено распределение поля и тока на предлагаемой пластине резонатора для частот 450-470 МГц, 890-1000 МГц и 1690-2400 МГц соответственно.

На фиг.3 представлены оптимальные размеры антенны, которые были получены на опытном макете, настроенном на три полосы частот: 450-470 МГц, 890-1000 МГц и 1690-2400 МГц. Площадь раскрыва антенны Д _А×Д_А составила 135×135 мм. Площадь заземленного экрана-отражателя рупора также составляет 135×135 мм. Пластина резонатора выполнена в виде равнобедренного треугольника с основанием 110 мм и высотой Д_Р =130 мм с добавлением полосковых элементов (см. фиг.2). Высота установки пластины резонатора над землей h_Р =35 мм, что составляет 0,4 ₃ для третьего поддиапазона. Последняя выбрана экспериментально для обеспечения максимального коэффициента усиления антенны +10 dBi в третьем поддиапазоне. Коэффициент усиления в первом и втором поддиапазонах составляет 6 dBi и 7 dBi соответственно. Высота (или толщина) антенны h _С с учетом толщины стенки рефлектора 50 мм. Внешний вид рупора с посадочными местами пластины резонатора приведен на фиг.4. Диаметр первого шунта 3 составляет 30 мм, а второго шунта 5-12 мм. Места установки шунтов 3 и 5 (см. фиг.1 и 3) соответствуют кратности используемых поддиапазонов частот.

Широкополосная трехдиапазонная рупорно-микрополосковая антенна (см. фиг.1, 2, 3) содержит рупор 1, выполненный из хорошо проводящего материала, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатор 2, образованный экраном-рефлектором и пластиной из хорошо проводящего материала, расположенной над металлической поверхностью экрана-рефлектора, укрепленной соосно и симметрично на первом шунте 3 в форме круглого прямого цилиндра в центре внутренней стороны экрана-рефлектора, при этом плоскость пластины резонатора 2 параллельна экрану-рефлектору 1 и обеспечен надежный механический и электрический контакт, и питающую коаксиальную линию 4.

Для обеспечения эффективного приема и передачи сигналов известных стандартов сотовых и транковых систем связи дополнительно введен второй шунт 5 из хорошо проводящего материала и имеющий форму круглого прямого цилиндра. Рупор 1 выполняется в форме прямого цилиндра с квадратным сечением. Пластина резонатора 2 в свою очередь выполняется в форме равнобедренного треугольника. Ось симметрии пластины резонатора 2 перпендикулярна двум противолежащим боковым стенкам рупора 1 и проходит через их оси симметрии и точку крепления пластины с первым шунтом 3. Вершина равнобедренного треугольника пластины резонатора 2 дополнена симметрично выступающими полосковыми элементами, местоположение и размеры которых определяются заданными значениями рабочих полос частот. Вершина равнобедренного треугольника пластины резонатора 2 соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии 4 надежным электрическим контактом, причем питающая коаксиальная линия 4 подведена к рупору 1 через боковую стенку перпендикулярно к ней. Внешний проводник линии 4 закреплен на боковой стенке резонатора 1 надежным электрическим контактом. Второй шунт 5 с одного конца укреплен соосно на пластине резонатора 2 по середине между первым шунтом 3 и вершиной равнобедренного треугольника. Второй конец шунта 5 закреплен на экране-рефлекторе рупора 1 и обеспечен надежный механический и электрический контакт, причем шунт 5 подключается к экрану-рефлектору рупора 1 строго перпендикулярно.

Широкополосная трехдиапазонная рупорно-микрополосковая антенна работает следующим образом. Заявляемая антенна (см. фиг.1, 2 и 3) состоит из трех основных частей: рупора 1, резонатора 2, представляющего собой щелевую антенну специальной формы, запитанную особым способом - непосредственно через боковую стенку рупора 1, и двух шунтов 3 и 5. В задачу последних входит компенсация реактивных составляющих входного сопротивления антенны в первом и втором поддиапазонах частот, а также запрещение (в составе разомкнутых шлейфов) растекания токов I по соответствующей части треугольной пластины резонатора 2 для обеспечения формирования базовых характеристик антенны в полосах частот 450-470 МГц, 890-1000 МГц и 1690-2400 МГц (Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны. - М.: Государственное издательство по вопросам связи и радио, 1962, стр.677-680). Треугольная пластина резонатора 2 содержит дополнительные симметрично выступающие прямоугольные полосковые неоднородности, местоположение, форма и размеры которых определяют заданные значения полос частот и были подобраны экспериментально. Высота треугольной пластины резонатора 2 приблизительно равна ₁/4 (f₁=450 МГц).

Необходимые для передачи электрические сигналы поступают на заявляемую антенну по коаксиальному кабелю 4. Возбуждение резонатора 2 начинается на участке коаксиальной линии 4 между точками Д и Е. Необходимость в наконечнике, используемом в устройстве-прототипе, отпала из-за маленькой длины центрального проводника коаксиальной линии 4 на участке Д-Е.

Возбужденная электромагнитная волна между пластиной резонатора 2 и заземленным экраном-рефлектором рупора 1 формирует на апертуре заявляемой антенны сходное с устройством-прототипом распределение электрического и магнитного полей.

Рассмотрим более подробно работу антенны в заявляемых поддиапазонах частот. В полосе частот 450-470 МГц в работе антенны участвует максимальный объем резонатора 2. Первый шунт 3 расположен на удалении примерно ₁/8 от точки запитки, а второй шунт 5 - примерно на удалении ₁/16. В результате они не препятствуют (в совокупности с полосковыми элементами) растеканию тока I по всей поверхности пластины резонатора 2. Приблизительные значения в приведенных и последующих соотношениях обусловлены укорочением длины волны в деталях антенны, влиянием диэлектрика и корпуса рупора. По всем трем парам симметрично выступающих из треугольной пластины резонатора полосковых элементов А и А', В и В', С и С' (см. фиг.2, 5, 6, 7 и 12а) растекаются токи, взаимно компенсируя друг друга. Характеристики рассматриваемой антенны с пластиной резонатора треугольной формы и центральным возбуждением, а также физические процессы, протекающие в ней, близки по своей природе к соответствующим характеристикам и процессам в шунтовых вибраторах над экраном (см. Сверхширокополосные антенны. Пер. с англ. С.В.Попова, В.А.Журавлева. - М.: Мир, 1964, стр.394-402). К последним можно отнести значение коэффициента стоячей волны (КСВ) в совокупности с шириной полосы рабочего диапазона частот, распределение токов на пластине резонатора, структуру излучаемого поля. Приведенные на фиг.6 и 7 результаты измерений свидетельствуют о том, что в первом поддиапазоне заявляемых частот 450-470 МГц КСВ не хуже 3. Входное сопротивление в основной части поддиапазона имеет резонансный характер. Настройка характеристик антенны осуществляется с использованием щели над основанием равнобедренного треугольника пластины резонатора 2. На фиг.12а иллюстрируется распределение поля Е и тока I на треугольной пластине резонатора.

В полосе частот 890-1000 МГц в работе антенны участвует усеченный до уровня первого шунта 3 резонатор 2. Разомкнутый шлейф А-А' (включенный на расстоянии f_ср2/4 от точки питания) препятствует растеканию токов по пластине при переходе ко второму поддиапазону со средней частотой f_cp2. Следует отметить, что максимальная длина шлейфа А-А' составляет f_ср2/2. Принцип работы антенны в этом поддиапазоне аналогичен вышерассмотренному. На фиг.8 и 9 приведены результаты измерений зависимости КСВ и входного сопротивления антенны от используемой полосы частот. Последние свидетельствуют о том, что во втором поддиапазоне частот 890-1000 МГц КСВ также не хуже 3, а входное сопротивление антенны укладывается в круг равного КБВ 0,5. На фиг.12б иллюстрируется распределение поля Е и тока I на усеченной пластине резонатора 2. Настройка характеристик антенны во втором поддиапазоне осуществляется с помощью варьирования размерами второй пары В-В' симметрично выступающих из треугольного резонатора полосковых элементов. Длина полосковых элементов В-В' определяет среднее значение частоты второго поддиапазона, а их толщина - ширину полосы частот второго поддиапазона. Кроме того, разомкнутый шлейф в составе второго шунта 5 и полосковых элементов В-В' препятствует растеканию токов третьего поддиапазона f_max в резонаторе выше их уровня.

Принцип действия антенны в третьем поддиапазоне 1690-2400 МГц в основном аналогичен ее работе в первых двух поддиапазонах (см. фиг.12в). Работа в заданной полосе частот достигается путем использования наименьшей части резонатора 2. В работе участвует вершина треугольной пластины с добавлением полосковых элементов С-С', расположенная над экраном (задней стенкой рупора) примерно на расстоянии ₃/4. В этом случае нет необходимости во включении дополнительного шунта, компенсирующего реактивную составляющую входного сопротивления, наведенную экраном. На фиг.10 и 11 приведены результаты измерений зависимости КСВ и входного сопротивления антенны от используемой полосы частот 1700-2400 МГц. Последние свидетельствуют о том, что КСВ в рассматриваемой полосе частот равен 2, а входное сопротивление антенны укладывается в круг равного КБВ 0,5 и имеет многорезонансный характер в области 50 Ом. На фиг.12в иллюстрируется распределение поля Е и тока I на усеченной пластине резонатора 2. Настройка характеристик антенны в третьем поддиапазоне осуществляется с помощью изменения размеров третьей пары С-С' симметрично выступающих из треугольного резонатора полосковых элементов. По аналогии со вторым поддиапазоном длина полосковых элементов С-С' определяет среднее значение частоты третьего поддиапазона, а их толщина - ширину полосы частот третьего поддиапазона. Следует отметить, что увеличивать длину и толщину полосковых элементов В-В' и С-С' можно лишь в определенных пределах из-за взаимного влияния последних на реализуемые с их помощью характеристики антенны. Предлагаемый вариант исполнения пластины резонатора 2 получен экспериментально путем варьирования размерами полосковых элементов А-А', В-В' и С-С'.

Предлагаемая антенна может использоваться в составе фазированной антенной решетки для измерения пространственных параметров сигналов в названных диапазонах частот.

Все детали антенны согласно настоящему изобретению имеют простую форму и сделаны из однородного и однотипного токопроводящего материала. Это позволяет реализовать изготовление их в массовом производстве легко и дешево, используя прессовку или пластмассовое литье с последующим токопроводящим покрытием.