Ультраширокополосная компактная рупорно-микрополосковая антенна с высокой направленностью

Ультраширокополосная компактная рупорно-микрополосковая антенна с высокой направленностью

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при конструировании малогабаритных сверхширокополосных (СПШ) устройств для систем связи и радиолокации.

СШП устройства работают с короткими импульсными сигналами или радиоимпульсами, имеющими сверхширокий спектр, и это определяет их название. Подобная технология успешно применяется, например, в импульсных эхорадарах. Такие виды радаров малой дальности часто используются для измерения расстояния до объекта, определения движения объекта, а также это используется в различных датчиках для систем безопасности. Основными факторами, влияющими на точность радаров в ближней зоне, например до десяти метров, являются:

- проблема пространственного выбора цели,

- проблема целостности формы передаваемого импульса,

- проблема большой неравномерности отраженного сигнала от близких и дальних объектов,

- проблема сильных помех, вызванных отражением передаваемого импульса от деталей радара и ближайших отражающих объектов,

- проблемы развязки между каналами приема и передачи.

Следует отметить, что многие отрасли промышленности и транспорта предъявляют все более высокие требования к компактности, безопасности и стоимости радарных устройств. Все перечисленные выше проблемы и требования сегодня решают, в основном, за счет использования специальных антенн, которые образуют главный и основной элемент конструкции таких радаров.

Для построения наиболее оптимальной в импульсном эхорадаре СШП антенны, необходимо обеспечить следующие антенные характеристики:

1) согласование входа антенны с линией передачи во всем диапазоне частот, определяемом спектром сигнала,

2) достижение максимальной направленности при минимальных габаритах антенны, что определяется усилением антенны и эффективностью возбуждения электромагнитного поля в раскрыве антенны. Важность такого параметра, как усиление антенны, в этом случае очевидна, это определено также фундаментальным уравнением радиолокации для идеальных условий распространения.

Существует весьма простое и часто используемое при расчетах уравнение, приведенное, например, в сборнике "Antennas and Propagation Magazine, IEEE", 1999, Vol.5, p.791-797 [1]:

где Р_r - мощность полезного сигнала на выходе приемной антенны,

P_t - мощность передатчика, при этом для СШП устройств мощность ограничена в соответствии с национальными правилами, например в США действует инструкция FCC §15.503,

λ - длина волны излучаемого импульса, определяемая обычно средней частотой спектра сигнала; в данном случае выбор рабочей частоты устройства определен целесообразной стоимостью радиокомпонентов и простотой схемотехники приемопередающего модуля радара,

σ=D_sσ_t - эффективная площадь отражения цели,

где D_s - коэффициент отраженного (обратного) рассеяния и

σ_t - эффективная площадь отражения,

(следует учитывать, что все параметры, приведенные в этом уравнении, касаются только характеристик цели и не определяют параметров компонентов радара),

r - расстояние между антенной (антеннами) и целью, при этом обычно требуется, чтобы такое расстояние было максимально возможным при фиксированной мощности передатчика и для определенной цели,

G_t, G_r - усиление передающей и приемной антенны соответственно.

Из приведенного уравнения недвусмысленно следует, что эффективность работы радара определяется усилением антенны или, в случае разделенных каналов, усилением двух антенн.

Общий анализ различных конструкций импульсных эхорадаров малой дальности показывает, что наиболее эффективными антеннами для таких устройств являются рупоры, хотя они и имеют достаточно большие габариты.

В патенте США №5754144 [2] описана СШП рупорная антенна со специальным "обрывистым" радиатором, который предназначен для уменьшения и устранения эффекта отражений от близких объектов. Успешное решение данной проблемы было достигнуто при помощи использования специально спроектированного рупора вокруг широкополосного излучателя, что дает более оптимальное распределение электромагнитного поля на апертуре антенны, что увеличивает ее усиление и уменьшает уровень изучения боковых лепестков.

В патенте США №6031504 [3] описана пара смежных антенн, предназначенных для передачи и приема широкополосных сигналов и имеющих высокую развязку между собой. Рупорные антенны такой конструкции имеют дополнительные расширительные стенки и специальную перегородку, которая позволяет оптимизировать распределение электромагнитного поля на апертуре антенн таким образом, что это повышает усиление антенн и позволяет заметно увеличить развязку между ними.

Однако оптимальными с точки зрения максимального усиления при минимальных размерах являются микрополосковые антенны, которые нашли широкое применение в малогабаритной радиоаппаратуре и антенных решетках. Микрополосковые антенны и методы их расчета хорошо исследованы сегодня и широко описаны в специализированной литературе, например: Р. Bhartia, Inder Bahl, R. Garg и A. Ittipiboon, "Microstrip Antenna Design Handbook (ARTECH HOUSE ANTENNAS AND PROPAGATION LIBRARY)", Artech House Publishers, 01 November, 2000 [4] или Панченко Б.А., Нефедов Е.И., "Микрополосковые антенны" (Радио и Связь), 1986 [5].

В патенте СССР №1573487 [6] описана одна из конструкций микрополосковых антенн - "Дисковая микрополосковая антенна". Данная антенна имеет достаточно малые размеры (особенно по толщине), сравнительно высокое антенное усиление и равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, однако она не пригодна для работы с СШП сигналами из-за своей узкополосности.

Перечисленные технические решения демонстрируют различный подход к задаче приема и передачи радиоимпульсов, а также и других широкополосных радиосигналов в малогабаритных измерительных радарах малой дальности, датчиках движения, датчиках обнаружения объектов и для широкополосных систем связи, где требуется узконаправленное излучение.

Различные типы рупорных антенн, широко используемых в радарах малой дальности, имеют весьма сложную конструкцию и относительно большие размеры, особенно, если размеры приведены к длине волны. Большинство таких СШП рупоров имеет сравнительно плохое распределение электромагнитного поля по апертуре.

Наиболее близким по своим параметрам является решение [3]. В описанной конструкции рупорная антенна состоит из главного рупора с высотой (или толщиной) приблизительно L_H=0,6λ и дополнительных удлинительных стенок с длиной L_W=0,5λ, т.е. полная высота (или толщина) такой рупорной антенны составляет L=λ, при θ=30 градусов. Для решения проблемы изоляции между антеннами используется специальная перегородка с длиной L_S=0,25λ, которая исправляет сильное излучение бокового лепестка. Питание такой антенны осуществляется коаксиальным кабелем от радиомодуля. Как утверждается в данном патенте, максимальное усиление такой антенны +8.6 dBi. Основным достоинством данного решения является обеспечение развязки между антеннами, достигающей уровня -60 dB, однако необходимо обратить внимание, что данный результат достигается только для очень узкой полосы частот и не обеспечивает такой же развязки для всей полосы используемого сигнала. Приведенный в патенте график показывает, что развязка между антеннами находится в пределах от -40 dB до -50 dB. При этом габариты данной конструкции не могут быть уменьшены без существенного снижения эффективности.

Задача, которую решает настоящее изобретение, заключается в создании приемопередающей СШП антенны с минимальной высотой (толщиной) и минимальным уровнем боковых лепестков, но с максимальным антенным усилением.

Технический результат достигается за счет создания антенны, объединяющей положительные качества двух различных типов антенн: микрополосковой антенны и рупора. Антенна сконструирована как комбинация микрополоскового дискового излучателя и металлического экрана-рефлектора в виде фрагмента конического рупора. Такая комбинация двух типов антенны позволяет получить оптимальное распределение электромагнитного поля по апертуре антенны, совпадающее с распределением поля в подобной, но более высокой конической рупорной антенне. Такая конструкция позволяет также увеличить усиление антенны приблизительно до +9,5˜10,5 dBi при толщине порядка 0,37λ, что дает возможность уменьшить габариты конструкции в три с лишним раза по сравнению с прототипом. Микрополосковая дисковая антенна, объединенная с конической поверхностью заземленного экрана, имеет более широкий диапазон рабочих частот, превосходящий диапазон прототипа на 15 и более процентов. При применении данной антенны в устройствах с разделенными каналами приема и передачи круговая форма апертуры антенны позволяет добиться более высокой взаимной развязки между парой смежных антенн до уровня примерно -50 dB. Таким образом, достаточно высокое усиление антенны, широкий рабочий диапазон частот и хорошая развязка в системе со сдвоенными антеннами позволяет использовать такую конструкцию антенны в радарных измерительных устройствах на расстояния от 1 до 15 м и больше. Кроме того, такая комбинированная антенна имеет уменьшенную неравномерность отраженного сигнала, повышенную помехозащищенность и точность селекции цели.

Существо заявляемого изобретения поясняется с привлечением ряда графических материалов.

На Фиг.1 показана полностью собранная антенна в соответствии с заявляемым изобретением, на которой отображены все компоненты данного изобретения в структуре приемопередатчика с единым TX-RX каналом (Фиг.1а) и в устройстве с разделенными каналами на Фиг.1b.

Фиг.2а, b, с иллюстрирует сравнительный анализ антенны, изображенной на Фиг.1а, и классической конической рупорной антенны, представлены картины распределения электрических и магнитных полей на апертурах антенн данного изобретения и конического рупора с основным типом волны Е₁₁, а также сравнение геометрии этих антенн. Комбинация двух известных типов антенн, представленных на Фиг.2с, создает по существу новую разновидность антенны, в которой микрополосковая антенна сформирована дисковым резонатором 14, установленным над плоскостью заземленной пластины-отражателя 12 с диаметром D_G=λ (где λ - средняя длина волны излучаемого сигнала) и запитывается на краю диска коаксиальным кабелем 15 через наконечник 26. Диаметр D_p дискового резонатора 14 и высота его установки над заземленной пластиной-отражателем h_p рассчитываются типовыми, хорошо известными методами вычисления микрополосковых антенн с использованием воздушной диэлектрической среды с диэлектрической проницаемостью ε=1 и для данной средней длины волны λ. Затем, полученная микрополосковая дисковая антенна вставляется внутрь рупора 27 с диаметром апертуры D_A таком способом, что край заземленной пластины-отражателя 12 формирует боковую стену вокруг микрополосковой дисковой антенны в виде части дискового резонатора 14 так, что основание наконечника выступает за край диска 14 примерно на 1,5 мм, при этом изготовление данной детали не требует высокой точности.

Основные геометрические отношения антенны, описанной в заявляемом изобретении, определены экспериментально и оптимизированы для максимального усиления антенны при минимальных габаритах, с учетом того, что диапазон рабочих частот должен быть не менее 600 МГц.

Оптимальные размеры, представленные на Фиг.2с были получены на опытном макете антенны, настроенном для средней частоты рабочего диапазона 4.5 ГГц, которой соответствует длина волны λ≈67 мм. Диаметр апертуры такой антенны получился равным D_A=1.34λ (90 мм), диаметр плоской части поверхности заземленного экрана-отражателя D_G=λ (67 мм), диаметр дискового резонатора D_P=0.54λ (36.3 мм) с фаской под углом 45 градусов на краю диска, высота установки дискового резонатора над землей h_P=0.07λ (4.7 мм), а высота (или толщина) антенны без учета толщины стенки рефлектора h=0.37λ (25 мм). При данных размерах максимальное, экспериментально измеренное усиление антенны, в заданном диапазоне частот достигло +10.5 dBi (см. Фиг.3с).

Для сравнения, идеальная коническая рупорная антенна 27 на Фиг.2с, без потерь, при апертуре D_A=90 мм и высота Н_CH=75 мм (и при полной высоте с учетом питающего перехода ≈ 100 мм), запитанная круглым волноводом 28, имеет расчетное усиление +11.2 dBi на частоте 4.5 ГГц. Учитывая потери в фидере и в поверхностном сопротивлении проводников антенны, можно говорить о равенстве усилений антенн, представленной в данном изобретении и подобной конической рупорной, которая более чем в три раза выше (или толще).

Необходимо также обратить внимание, что уменьшение высоты h (относительно 0.37λ) уменьшает усиление до +6˜7 dBi и антенна вырождается в дисковую микрополосковую антенну, и наоборот, увеличение этой высоты плавно увеличивает усиление и габариты, вырождая антенну в конический рупор.

На Фиг.3а, b, с приведены графики измеренных характеристик антенны, показанной на Фиг.1а (для антенны, настроенной в диапазоне со средней частотой 4.5 ГГц), это - диаграммы направленности в плоскости Н и Е, усиление антенны в главном лепестке диаграммы направленности, КСВ, пунктирной линией на графиках демонстрируется влияние поглотителя и конического наконечника.

На Фиг.4 приведены графики измерения развязки между антеннами, отображенными на Фиг.1b (антенны настроены на диапазон со средней частотой 4.5 ГТц и установлены вплотную), пунктирной линией обозначено влияние поглотителя.

Фиг.5а, b иллюстрирует параметры сигнала СШП, который используется для импульсного эхорадара, приведенного на Фиг.1b, во временной области и частотной, а также EIRP (эффективная изотропная мощность излучения) этого радара, измеренного согласно требованиям Федеральной комиссии по телекоммуникациям (US FCC).

Фиг.6 иллюстрирует оптимальную установку антенны, приведенной на Фиг.1а, в реальной комнате с реальными условиями распространения и показывает эффективность ее применения при наличии паразитных отражающих объектов.

Фиг.7 a, b иллюстрирует прототип [3], представленный в перспективе и сбоку, на этих видах отображены главные компоненты известной антенной конструкции.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

На Фиг.1а представлена общая конфигурация конструкции СШП приемопередатчика для радара малой дальности с антенной 10 согласно настоящему изобретению. Радиомодуль 18 генерирует радиоимпульсы с несущей частотой 4.5 ГГц 29 (Фиг.5а), последовательность таких импульсов имеет среднюю мощность 30 в частотной области на Фиг.5b, а пиковую на уровне -20 dBm. Импульсы 29 передаются от радиомодуля 18 к антенне 10 коаксиальной линией 15. Возбуждение дискового резонатора 14 антенны начинается на участке коаксиальной линии 15 между точками С и В через наконечник 26. Использование наконечника 26 необходимо для уменьшения паразитной индуктивности, которая возникает вследствие необходимости применения большой длины центрального проводника коаксиальной линии 15 в промежутке между областью С коаксиальной линии и дисковым резонатором 14. Фиг.3d демонстрирует влияние конического наконечника 26 на КСВ антенны 10, при этом заметно, что ширина полосы согласования антенны существенно зависит от применения этого наконечника 26, и он позволяет согласовать дисковую микрополосковую антенну в диапазоне частот СШП.

Возбужденная электромагнитная волна между дисковым резонатором 14 и заземленным экраном-отражателем 12 формирует на апертуре антенны 10 приблизительно такое распределение электрического 22 и магнитного 23 полей, какое изображено на Фиг.2а. На Фиг.2а показано распределение электрического поля 22 симметрично в плоскости Н относительно оси поляризации в плоскости Е, которая находится на перпендикулярной плоскости к апертуре антенны и проходит через точку запитки антенны, как и вектора поляризации 19, 21 на Фиг.1а, b. Это сходно с распределением электрического поля 24 в коническом рупоре 27 на Фиг.2b, который формирует симметричную форму диаграммы направленности в данной плоскости (см. Фиг.3а). В плоскости Е антенна 10 формирует несимметричное распределение электрического поля 22 и магнитного поля 23, это отличается от распределения полей 24, 25 в коническом рупоре 27 и как результат - главный лепесток диаграммы направленности антенны отклоняется приблизительно на угол 10 градусов относительно оси симметрии антенны, как это иллюстрирует Фиг.3b.

Измерения параметров излучения антенны 10 в дальней зоне на Фиг.3а, b, с показывают, что антенна 10 имеет устойчивое усиление +10 dBi ±0.5 dB в главном лепестке диаграммы направленности в диапазоне частот от 4.2 ГГц до 5.2 ГГц, что обеспечивает хорошее направленное излучение сигнала 29. В то же время, измерения на Фиг.5b эффективной изотропной мощности излучения (EIRP) 32 на расстоянии 3 м от антенны 10 согласно требованиям FCC показали, что средняя мощность излучения EIRP такой антенны не превышает уровень - 52 dBm и это намного ниже уровня 31 ограничений FCC (-41.3 dBm) для данного диапазона частот.

Несмотря на такой низкий уровень EIRP, импульсный эхорадар, собранный согласно Фиг.1b, при использовании последовательности радиоимпульсов 29 (см. Фиг.5а) обеспечил устойчивое распознавание цели на расстоянии 15 м в условиях офиса.

Версия устройства с раздельными каналами приема и передачи по Фиг.1b отличается от схемы по Фиг.1а только наличием второго канала СВЧ и второй антенны соответственно. В данной конструкции, приведенной на Фиг.1b, сигнал 29 подается с выхода радиомодуля 20 в передающую антенну 10 по коаксиальной линии 15, а отраженный сигнал от цели поступает на приемную антенну 11 и подается на вход радиомодуля 20 по коаксиальной линии 16. Таким образом, антенны должны быть установлены в одной плоскости и иметь идентичную поляризацию, вектора 19, 21 должны быть параллельны. Как показали экспериментальные измерения (см. Фиг.4), развязка между парой антенн фактически не зависела от расстояния W_i между ними при изменении расстояния в пределах от 0 до 10 мм. Заметный эффект на характеристики антенн 10, 11 и на устройство в целом дает использование поглотителя 17.

Под влиянием электромагнитного поля антенны на краю заземленного экрана-отражателя 12, формирующем апертуру, индуцируются поверхностные токи, которые излучают боковые и задние лепестки диаграммы направленности антенны на Фиг.3а, b и дают паразитные резонансные эффекты между парой антенн на Фиг.4. Эта проблема была решена простым и компактным путем за счет использования радиопоглотителя 17, покрывающего обратную (не излучающую) поверхность антенны так, что с внешней стороны антенна 10 вместе с поглотителем 17 имеет цилиндрическую форму с диаметром большим, чем диаметр апертуры D_A, приблизительно на 6 мм.

Антенна, описанная в настоящем изобретении, предназначена для работы в структуре различных систем радиосвязи, где требуется направленная передача или направленный прием радиосигнала в широком диапазоне частот, например:

1) в импульсных эхорадарах малой дальности и в различных устройствах на их основе: измерителях расстояния до цели, датчиков движения и т.д., обычно применяемых в системах безопасности;

2) в беспроводных локальных компьютерных сетях (WLAN) для работы в структуре базовых станций (АР - точек доступа);

3) в различных устройствах сотовой связи типа ретрансляторов или как элемент антенной решетки для базовых станций.

Оптимальный вариант использования данной антенны в закрытом помещении иллюстрируется на Фиг.6, где устройство с антенной 33 установлено на верхней части стены в комнате или зале 34. Отклоненный основной лепесток диаграммы направленности антенны 35 позволяет освещать рабочую область комнаты сверху вниз и равномерно распределять мощность излучения в дальней и близкой областях, что уменьшает паразитное влияние от различных отражающих объектов 36 и поглощающих объектов 37, а также позволяет устанавливать устройство с антенной (или с антеннами) 33 максимально плотно к стене. В различных существующих конструкциях подобный эффект отклонения основного лепестка диаграммы направленности достигается путем применения специальных кронштейнов, отклоняющих антенну целиком.

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.

1. Ультраширокополосная компактная рупорно-микрополосковая антенна с высокой направленностью, состоящая из усеченного конического рупора, снабженного плоской стенкой на узкой стороне, выполненной из хорошо проводящего материала и представляющей собой экран-рефлектор, дискового резонатора, выполненного из хорошо проводящего материала и имеющего вид плоской круглой пластины, укрепленной соосно и симметрично на выступе в центре внутренней стороны экрана-рефлектора, при этом плоскость дискового резонатора параллельна экрану-рефлектору и обеспечен надежный механический и электрический контакт дискового резонатора с экраном-рефлектором, наконечника, выполненного из хорошо проводящего материала и имеющего форму усеченного конуса с диаметром основания и высотой, приблизительно равной половине расстояния между дисковым резонатором и экраном-рефлектором, при этом угол при вершине конуса составляет приблизительно 60°, вершина наконечника соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии, а ось симметрии наконечника перпендикулярна плоскости дискового резонатора и проходит через его край, причем питающая коаксиальная линия, подведена через экран-рефлектор перпендикулярно к нему и внешний проводник линии закреплен на нем с надежным электрическим контактом, а центральный проводник подсоединен к краю дискового резонатора посредством наконечника с надежным электрическим контактом.

2. Ультраширокополосная компактная рупорно-микрополосковая антенна с высокой направленностью по п.1, отличающаяся тем, что с внешней неизлучающей стороны экран-рефлектор покрыт радиопоглотителем.