Компактная антенная система с расширенной полосой частот для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов

Компактная антенная система с расширенной полосой частот для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к антеннам, в частности к микрополосковым антеннам для глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS). Системы GNSS позволяют быстро определить свое местоположение с высокой точностью в любой точке земной поверхности вне зависимости от погодных условий.

Уровень техники

В настоящее время применение микрополосковых антенн (МПА) для GNSS требует обеспечения широкой полосы пропускания, что необходимо для обеспечения приема сигнала на двух различных частотах со спутников, принадлежащих различным системам позиционирования, таких как GPS, ГЛОНАСС, Galileo и др.

В известных микрополосковых антеннах есть ряд недостатков. В частности, при приеме сигналов от спутников в силу различной геометрии распространения сигнала и наличия отраженных сигналов от земли и различных объектов возникает эффект многолучевого приема сигнала. Так полученный антенной сигнал представляет собой комбинацию прямого сигнала и отраженного сигнала. Наличие последнего приводит к искажению амплитуды и фазы принятого сигнала, что негативно сказывается на работе антенной системы.

Для эффективной работы антенна должна обеспечивать в требуемой полосе частот ряд характеристик, таких как коэффициент стоячей волны (КСВ) и заданные свойства диаграммы направленности. Так, для оценки способности антенны подавлять отраженный от подстилающей поверхности сигнал применяют отношение down/up, т.е. D/U(θ)=

Указанная характеристика D/U(θ) равна отношению уровня диаграммы направленности (ДН) в задней полусфере под каким-либо углом к уровню ДН в передней полусфере под зеркальным углом. На практике для оценки частотных свойств часто используется параметр D/U(θ) по углу 90°, который принято называть зенит D/U(90).

Обычно для уменьшения эффекта многолучевого приема используют плоский экран больших размеров или применяют конструкции типа глушащих колец (choke ring). Однако такие конструкции имеют большие габариты и вес.

Для уменьшения размеров антенной системы при сохранении коэффициента D/U(θ) по углу 90° в соответствующих пределах известно техническое решение WO 2004027920, опуб.01.04.2004 - [1], в котором раскрыта антенная система GPS для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов, включающая: приемную антенну 10, которая содержит диэлектрическую подложку 12, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, антенный элемент 11, расположенный на, по крайней мере, части первой поверхности подложки 12, и проводящую экранирующую плоскость 13, расположенную на второй поверхности подложки 12. Антенный элемент 11 и экранирующая плоскость 13 все вместе формируют обычную конфигурацию антенны. Приемная антенна 10 включает проводящий проводник 15, сформированный в антенном элементе 11 через диэлектрическую подложку 12, и простирается в, по крайней мере, второй поверхности подложки 12. Апертура 14 сформирована в экранирующей плоскости 13 и изолируют проводник 15 и экранирующую плоскость 13. Апертура 14 предпочтительно расположена концентрически около проводника 15, чтобы сформировать коаксиальный интерфейс и сигнальный порт. Пассивная антенна 20 включает диэлектрическую подложку 22, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, антенный элемент 21, расположенный на, по крайней мере, части первой поверхности подложки 22, и проводящую экранирующую плоскость 23, расположенную на второй поверхности подложки 22. Антенный элемент 21 и экранирующая плоскость 23 все вместе образуют обычную конфигурацию антенны. Пассивная антенна 20 включает сквозное отверстие 25, сформированное через диэлектрическую подложку 22 от антенного элемента 21 к экранирующей плоскости 23. Сквозное отверстие 25 снабжено, чтобы коаксиальный кабель мог быть направлен от заземленного корпуса 18 к внешним потребителям. Заземленный корпус 18 предпочтительно используется, чтобы поместить и электрически экранировать малошумящий усилитель 16 (МШУ), как показано в общем виде в разрезе на фиг.1. Вывод МШУ может быть соединен с коаксиальным кабелем 17, который, в свою очередь, направлен к внешним потребителям.

Такая антенна имеет достаточно эффективную конструкцию, которая позволяет уменьшить эффект многолучевого приема сигнала, а также обеспечить достаточную ширину полосы частот по КСВ. Однако данная конструкция имеет ряд недостатков, а именно: имеет узкую полосу частот по Down/Up 90°, т.е. у нее при заданных размерах относительно узкий диапазон рабочих частот, в котором обеспечивается подавление многолучевого сигнала; у нее большой вес и высокая стоимость, поскольку используются диэлектрические основания на каждом уровне многоярусной конструкции. Также в такой конструкции для размещения дополнительных элементов, например платы с МШУ, используется отдельный уровень, как показано на фиг.1, с экранируемой поверхностью или отдельным экраном 18, что приводит к увеличению высоты антенной системы в целом.

Известно, что рабочая полоса частот определяется высотой расположения излучающей пластинки над экранирующей пластинкой или объемом резонатора электромагнитных колебаний, т.е. объемом, заключенным между излучающей пластинкой и экранирующей пластинкой. Существует несколько способов увеличения рабочей полосы частот антенны, например увеличение толщины диэлектрического основания. Однако такое увеличение толщины диэлектрика соответственно увеличит и массу антенны, поскольку масса диэлектрика определяет массу конструкции антенны в целом. Другими способами являются: применение связанных резонаторов, цепей согласования на микрополосковых линиях. Однако такие решения имеют дополнительные конструктивные элементы и достаточно сложную конструкцию.

Также из уровня техники известно техническое решение - Matthias K. Fries, Rudiger Vahldieck; Small microstrip patch antenna using slow-wave structure, 2000 IEEE Int. Antennas Propagat. Symp. Dig. vol.2, pp.770-773, July 2000 - [2], направленное на решение проблемы обеспечения компактности микрополосковой антенны, не используя при этом диэлектрик. В нем предложена микрополосковая антенна (фиг.2 вид сверху), в которой уменьшение размера антенны достигается использованием замедляющей структуры - набора крестообразных щелей 30 на излучателе и экранирующей пластинке. Такая антенна имеет небольшой вес и размеры, но достаточно сложную конструкцию, а наличие щелей не позволяет: создать многоярусную конструкцию антенны и разместить на ней дополнительные элементы, например плату с МШУ или GPS приемник.

Таким образом, существует потребность в преодолении вышеуказанных проблем. Для этого предложена конструкция антенной системы, позволяющая по сравнению с известной конструкцией [1] снизить общий вес антенны, поскольку не применяется диэлектрик; обеспечить дополнительное расширение полосы частот как по КСВ, а также и по отношению Down/Up 90° за счет использования особой конструкции нижнего антенного элемента и особенностей предложенных загнутых элементов на пластинках, в тоже время по сравнению с известной конструкцией [2] обеспечить простоту изготовления и настройки, низкую стоимость антенны, а также возможность размещения внутри объема резонатора антенны дополнительного уровня с печатной платой МШУ или GPS приемником, а также возможность размещения GPS приемника в отдельном уровне, который представляет собой замкнутую полость пластинки нижнего антенного элемента.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению предложена антенная система для приема радиосигнала, содержащая: верхний антенный элемент и соосно расположенный под ним нижний антенный элемент. Верхний антенный элемент состоит из: излучающей пластинки, расположенной противоположно и над экранирующей пластинкой, которая является экраном по отношению к излучающей пластинке, и системы возбуждения, оканчивающейся сигнальным портом, который предназначен для ввода/вывода радиосигналов, полученных упомянутой антенной системой.

Нижний антенный элемент состоит из экранирующей пластинки, под которой противоположно ей расположена пластинка, причем упомянутая экранирующая пластинка является экраном для этой пластинки. Нижний антенный элемент размещен так, чтобы экранирующая пластинка верхнего антенного элемента располагалась вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки нижнего антенного элемента. Таким образом, излучающая пластинка верхнего антенного элемента расположена ближе к экранирующей пластинке нижнего антенного элемента, чем к пластинке нижнего антенного элемента.

Нижний антенный элемент имеет аналогичную (зеркальную) конструкцию верхнего антенного элемента. При этом его габаритные размеры могут отличаются от размеров верхнего антенного элемента и определяются при настройке антенны.

В качестве системы возбуждения могут использоваться возбуждающие штыри, микрополосковые линии и т.д. Для создания линейной поляризации используют штыревой возбудитель. Для возбуждения круговой поляризации возбуждение излучающей пластинки осуществляют посредством системы возбуждения, состоящей, например, из: возбуждающих штырей и моста, который размещен, например, с внутренней стороны пластинки. Мост обеспечивает в широкой полосе частот необходимый фазовый сдвиг между выходными сигналами. Для круговой поляризации можно использовать два штыря, проходящих сквозь пластинки антенны и соединяющих выход моста с излучающей пластинкой - излучателем.

Следует отметить, что под сигнальным портом понимается местоположение, где радиосигналы, полученные антенной, доступны для использования, например, в малошумящем усилителе или коаксиальном кабеле.

Верхний антенный элемент имеет сигнальный порт, который осуществляет электрическую взаимосвязь с ним, а в нижнем антенном элементе сигнальный порт отсутствует. Возбуждение верхнего антенного элемента осуществляется посредством штыря возбуждения. Нижний антенный элемент возбуждается путем электромагнитного взаимодействия с верхним антенным элементом. Таким образом, верхний и нижний антенный элемент имеют различную степень электромагнитного взаимодействия с сигнальным портом, причем эти соответствующие степени взаимодействия отличны друг от друга.

Подавление многолучевого сигнала в предложенной антенной системе осуществляется путем электромагнитного взаимодействия верхнего антенного элемента с нижним антенным элементом. Для этого их располагают на определенном расстоянии друг от друга. На нижнем элементе возникают наведенные токи, за счет настройки антенны поле этих токов в области нижней полусферы оказывается в противофазе с полем токов верхнего элемента. Таким образом, амплитуды полей токов в задней полусфере антенны вычитаются, тем самым уменьшая уровень ДН в задней полусфере, обеспечивая подавление отраженного многолучевого сигнала.

Для уменьшения размера антенны и расширения полосы частот без использования диэлектрика предложено, по меньшей мере, с двух сторон или на двух противоположных краях пластинок верхнего и/или нижнего антенного элемента выполнить емкостные элементы. Емкостные элементы выполнены в виде загнутых элементов. Загнутые элементы представляют загнутые внутрь конструкции антенны элементы пластинки в виде: ребер, или зубцов, или гребенок, или штырьков. Они имеют определенную поверхностную форму и площадь и расположены по краям периметра излучающей пластинки, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки, и/или второй экранирующей пластинки нижнего антенного элемента в различном их сочетании. Элементы загнуты так, чтобы располагаться вертикально или ортогонально по отношению к пластинкам, из которых они загнуты.

При работе в режиме линейной поляризации загнутые элементы следует располагать так, чтобы плоскость и линия их размещения находилась вдоль Н-плоскости верхнего антенного элемента, т.е. вдоль оси у, как показано на фиг.6. Вдоль Е-плоскости, т.е. оси x, элементы отсутствуют. Для нижнего антенного элемента элементы расположены симметрично Н-плоскости. Такие загнутые элементы имеют определенную высоту 1 загиба от основания пластики. Как вариант, высота 1 загнутого элемента короче, чем длина пластинки b.

Для антенны, работающей в режиме линейной поляризации, загнутые элементы могут быть выполнены как ребра определенной протяженности. Ребра располагают по двум противоположным краям пластинок на одной общей линии и в одной плоскости для каждого края соответственно. Также элементы могут представлять собой набор отдельных элементов ребер - двумерно-периодической системы ребер, который располагают по двум краям пластинок или по всему периметру пластинок.

Для антенны, работающей в режиме круговой поляризации, загнутые элементы расположены по всему периметру краев пластинок антенны. В таком случае элементы в плоскости их расположения, которые для одной поляризации располагались вдоль Н плоскости для ортогональной поляризации, окажутся расположенными вдоль Е плоскости и наоборот. При этом для обеспечения режима круговой поляризации загнутые элементы выполнены в виде раздельных элементов - двумерно-периодической системы ребер, таких как гребенки, набор зубцов, штырьков, которые расположены по соответствующему периметру излучающей пластинки, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента.

Протяженность загнутого ребра или двумерно-периодической системы ребер может быть равна или быть меньше длины пластинки, из которой он загнут. Каждый элемент двумерно-периодической системы ребер имеет определенный поперечный размер и представляет собой штырек, зубец любой формы (цилиндрической, прямоугольной или др.). Элемент (штырек) имеет определенную ширину w, высоту 1 от пластинки, из которой он загнут, и расстояние d между элементами двумерно-периодической системы ребер. Как пример, расстояние d между элементами может составлять порядка 0,1…3 и более от ширины w одного элемента, но неограниченно этим.

Загнутые элементы излучающей пластинки, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента выполнены загнутыми внутрь антенны так, чтобы располагать соответственно внешне или внутренне на определенном расстоянии по отношении к другим противоположно им расположенным элементам, загнутым соответственно из экранирующей пластинки, и/или излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента. Такие загнутые по краям внешние элементы как вариант выполнены таким образом, чтобы они были продолжены до уровня соответственно противоположной пластинки.

Загнутые элементы могут быть далее продолжены как внутрь, так и наружу конструкции соответствующего верхнего или нижнего антенного элемента так, чтобы располагаться на определенном протяжении противоположно соответственно основанию пластинки, из которых они загнуты.

Пластинки могут быть выполнены из листового проводящего материала в форме круга, квадрата или другой симметричной формы. Загнутые элементы формируют, например, припаивая их к основанию пластинки, или выполняют на краях пластинки посредством загиба краев листового материала.

Для уменьшения размера излучателя предпочтительно использовать полное перекрытие между противоположными элементами, загнутыми на соответствующих краях пластинок. При этом каждый элемент двумерно-периодической системы ребер имеет определенную область пространства (площадь) перекрытия на его окончании, которая образована между расположенным напротив него элементом двумерно-периодической системы ребер противоположной пластинки.

Загнутые элементы двумерно-периодической системы ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента выполнены смещенными на определенное расстояние относительно противоположных им загнутых элементов, расположенных соответственно на экранирующей пластинке верхнего антенного элемента, и/или излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента.

Загнутые элементы двумерно-периодической системы ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента располагают в промежутках между элементами двумерно-периодической системы ребер противоположной пластинки, т.е. между элементами экранирующей пластинке верхнего антенного элемента, и/или излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента.

Антенная система обеспечивает заданную полосу частот в диапазоне L1 (1215-1256 MГу) и L2 (1520-1615) MГу, при этом обеспечивается коэффициент Down/Up 90°, меньше - 15 дБ.

В нижнем антенном элементе, в пространстве между пластинкой и экранирующей пластинкой размещена дополнительная печатная плата со схемой обработки сигнала, например плата с МШУ или GPS приемником, которая может располагаться в экране.

Также согласно изобретению предложена двухдиапазонная антенная система для приема радиосигнала, содержащая: двухдиапазонный верхний антенный элемент, под которым соосно с ним расположен двухдиапазонный нижний антенный элемент, каждый из которых выполнен в форме двухэтажерчатой конструкции.

Двухдиапазонный верхний антенный элемент состоит из: излучающей пластинки первого частотного диапазона, излучающей пластинкой второго частотного диапазона, двух экранирующих пластинок первого и второго частотного диапазона, которые служат экраном для соответствующих излучающих пластинок, а также системы возбуждения. Излучающие и экранирующие пластинки для соответствующих диапазонов расположены противоположно и отделены друг от друга на определенное расстояние, которое определяется рабочим диапазоном частот. Каждая экранирующая пластинка соответствующего диапазона расположена под излучающей пластинкой своего диапазона. Так, верхняя излучающая пластинка первого диапазона расположена над экранирующей пластинкой для первого диапазона. Экранирующая пластинка первого диапазона размещена вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности нижней излучающей пластинки второго диапазона. Снизу нижней излучающей пластинки второго диапазона расположена ее экранирующая пластинка второго диапазона.

Система возбуждения для каждого диапазона состоит, в частности, из двух штырей возбуждения, которые соединяются посредством линии передачи со схемой деления мощности, которая оканчивается соответствующим сигнальным портом. Сигнальный порт предназначен для ввода/вывода сигналов соответствующих частотных диапазонов, полученных/переданных упомянутой антенной системой. Так, верхняя излучающая пластинка первого диапазона электрически соединена с первым сигнальным портом, а соответствующий ей нижний антенный элемент первого диапазона не соединен с первым сигнальным портом. В свою очередь, нижняя излучающая пластинка второго диапазона электрически взаимосвязана и соединена со вторым сигнальным портом соответствующего второго диапазона. Нижний антенный элемент второго диапазона не соединен со вторым сигнальным портом.

Нижний двухдиапазонный антенный элемент имеет аналогичную конструкцию расположения пластинок по отношению к верхнему двухдиапазонному антенному элементу.

Двухдиапазонный нижний антенный элемент состоит из: двух экранирующих пластинок второго и первого частотного диапазона и пластинки второго частотного диапазона, и пластинки первого частотного диапазона. Соответствующие пластинки и экранирующие пластинки для соответствующих диапазонов расположены противоположно и отделены друг от друга на определенное расстояние, которое определяется рабочим диапазоном частот и настройкой антенной системы.

Причем под экранирующей пластинкой второго частотного диапазона размещена пластинка второго частотного диапазона. Пластинка второго частотного диапазона, в свою очередь, размещена вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки первого частотного диапазона. Снизу экранирующей пластинки первого частотного диапазона расположена нижняя пластинка первого частотного диапазона.

Двухдиапазонный верхний антенный элемент размещен на, по меньшей мере, части поверхности двухдиапазонного нижнего антенного элемента таким образом, что экранирующая пластинка для второго диапазона верхнего антенного элемента размещена вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки второго частотного диапазона нижнего антенного элемента.

Подавление многолучевого приема в такой антенной системе происходит за счет электромагнитного взаимодействия верхнего и нижнего антенного элемента соответствующего диапазона. Для этого их располагают на определенном расстоянии друг от друга. Таким образом, излучающая пластинка первого частотного диапазона верхнего антенного элемента и пластинка первого частотного диапазона нижнего антенного элемента имеют соответствующую и различную степень электромагнитного взаимодействия (связи) с первым сигнальным портом, причем эти степени взаимодействия отличны друг от друга. А излучающая пластинка второго частотного диапазона верхнего антенного элемента и пластинка второго частотного диапазона нижнего антенного элемента имеют свою соответствующую степень электромагнитного взаимодействия (связи) со вторым сигнальным портом, причем эти соответствующие степени взаимодействия отличны друг от друга.

На пластинках двухдиапазонного верхнего и нижнего антенного элемента выполнены, по меньшей мере, с двух сторон или на двух противоположных краях загнутые внутрь конструкции антенны емкостные элементы. Элементы выполнены в виде: ребер, зубцов, гребенок, штырьков. Они загнуты внутрь антенны вертикально по отношению к пластинкам верхнего и нижнего антенного элемента.

Загнутые элементы выполнены на двухдиапазонном верхнем антенном элементе: верхней излучающей пластинке первого частотного диапазона, и/или экранирующей пластинке первого частотного диапазона, и/или нижней излучающей пластинке второго частотного диапазона, и/или экранирующей пластинке второго частотного диапазона. Также загнутые элементы расположены и на двухдиапазонном нижнем антенном элементе: пластинке второго частотного диапазона, и/или экранирующей пластинке второго частотного диапазона, и/или нижней пластинке первого частотного диапазона, и/или экранирующей пластинке первого частотного диапазона. Таким образом, емкостные элементы могут иметь различную комбинацию расположения на соответствующих пластинках.

Для обеспечения режима линейной поляризации загнутые элементы располагают так, чтобы плоскость и линия их размещения находилась вдоль Н-плоскости двухдиапазонного верхнего антенного элемента, т.е. вдоль оси у. Вдоль Е-плоскости, т.е. оси x, емкостные элементы отсутствуют. Для двухдиапазонного нижнего антенного элемента элементы расположены симметрично, т.е. вдоль Н-плоскости.

Для обеспечения режима круговой поляризации загнутые элементы выполнены в виде: раздельных емкостных элементов - двумерно-периодической системы ребер, таких как: гребенок, зубцов, коротких штырьков, которые расположены по всему соответствующему периметру соответствующих пластинок двухдиапазонного верхнего антенного элемента и двухдиапазонного нижнего антенного элемента.

В двухдиапазонной антенной системе загнутые элементы для каждого соответствующего диапазона верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента выполнены по любому из описанных выше вариантов для однодиапазонной антенны.

Эти и другие конструктивные особенности и преимущества предложенного изобретения станут очевидными из детального описания вариантов конструкции, которое должно читаться совместно с сопроводительными чертежами.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 показывает конструкцию известной антенной системы для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов.

Фиг.2 показывает конструкцию известной МПА с расширенной полосой частот.

Фиг.3а показывает эквивалентную схему модели антенны линейной поляризации как отрезка микрополосковой линии.

Фиг.3b показывает эквивалентную схему для случая включения параллельной концевой емкости.

Фиг.4 показывает график зависимости функции зависимости добротности от эквивалентного замедления.

Фиг.5 показывает ориентацию векторов Е и Н полей для случая, когда штырь возбуждения расположен на оси х.

Фиг.6 показывает конструкцию антенной системы линейной поляризации для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в расширенной полосе частот, в которой емкостные элементы выполнены в виде ребра длиной, равной длине пластинки b, и расположены вдоль Н-плоскости.

Фиг.6а-6h показывает антенную систему линейной поляризации с различными вариантами расположения ребер.

Фиг.7 показывает конструкцию широкополосной антенной системы линейной поляризации для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов, в которой емкостные элементы выполнены в виде набора раздельных элементов ребер длиной меньшей, чем длина пластинки и расположенных вдоль Н-плоскости.

Фиг.7а-7k показывает антенную систему линейной поляризации с различными вариантами расположения раздельных емкостных элементов.

Фиг.8 показывает вид в поперечном разрезе однодиапазонной широкополосной антенной системы линейной поляризации для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в расширенной полосе частот.

Фиг.9 показывает конструкцию антенной системы круговой поляризации для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в расширенной полосе частот, в которой емкостные элементы располагаются вдоль всего периметра пластинок.

Фиг.9а-9k показывает конструкцию предложенной антенной системы антенны круговой поляризации с различными вариантами расположения раздельных емкостных элементов.

Фиг.10 показывает эквивалентную схему модели антенны как отрезка микрополосковой линии.

Фиг.11а показывает цепочечную структуру четырехполюсников эквивалентной схемы модели антенны круговой поляризации.

Фиг.11b показывает четырехполюсник, содержащий отрезок линии.

Фиг.12 показывает вид в поперечном разрезе многоярусной двухдиапазонной широкополосной антенной системы для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов.

Фиг.13 показывает общий вид сборки предложенной конструкции двухдиапазонной антенной системы.

Фиг.14 показывает вид в разрезе предложенной конструкции двухдиапазонной антенной системы.

Фиг.15 показывает вид в разрезе системы питания предложенной двухдиапазонной антенной системы.

Фиг.16 показывает вид сверху предложенной двухдиапазонной антенной системы.

Фиг.17 показывает вид платы с МШУ (вид снизу на уровне нижнего антенного элемента).

Фиг.18 показывает график зависимости Down/Up ratio в полосе частот двух диапазонов L1 и L2 прототипа и предложенной конструкции двухдиапазонной антенной системы.

Фиг.19а-19b показывает вариант выполнения компактной двухдиапазонной антенной системы для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов с GPS приемником, размещенным в замкнутой полости, которая составляет пластинку нижнего антенного элемента.

Подробное описание изобретения

Для создания компактной конструкции антенной системы необходимо уменьшить резонансный размер пластинок. Простое увеличение диэлектрической проницаемости ε подложки приводит к сужению рабочей полосы частот. Для реализации антенны с расширенной полосой частот толщина диэлектрического основания должна быть увеличена, тем самым отделяя излучающую пластинку от экранирующей пластинки большим расстоянием. Однако такое увеличение толщины приводит к увеличению веса антенны. Поэтому необходимо уменьшить резонансный размер излучающей пластинки, не используя при этом диэлектрик между излучающей и экранирующей пластинкой, при этом обеспечить максимальную простоту конструкции антенны.

Для этого предложено по краям пластинок выполнить емкостные элементы, представляющие собой загнутые элементы определенного размера и площади поверхности. Предпочтительно элементы необходимо загнуть внутрь объема антенны. Элементы могут быть выполнены в виде: ребер определенной высоты и длины, или отдельного периодического набора - двумерно-периодической системы ребер, зубцов, штырьков или гребенок и других подобных элементов.

Для анализа такой конструкции микрополосковой антенны, работающей в режиме линейной поляризации и оценки добротности рассмотрим ее как модель антенны в виде короткозамкнутого отрезка микрополосковой линии длиной менее четверти длины волны David М. Pozar and Daniel Н. Schaubert, Microstrip Antennas: The Analysis and Design of Microstrip Antennas and Arrays, Wiley-IEEE Press, New York, 1995 - [3]. Это объясняется тем, что в полуволновом отрезке удваивается как запас реактивной мощности, так и сопротивление излучения.

Эквивалентная схема в виде отрезка линии, одна сторона которого закорочена, а другая нагружена на сопротивление R, показана на фиг.3а-b.

Линия имеет длину L, волновое сопротивление W и замедление β, связанное с эффективной диэлектрической проницаемостью подложки ε_eff как

Полная проводимость относительно клемм А-А будет

где

Постоянная распространения

ω - круговая частота, с - скорость света в пустоте.

Вблизи резонансной частоты ω₀, для которой

В(ω₀)=0

Очевидно, имеем

Δω - расстройка частоты Δω=ω-ω₀

Откуда добротность

Производная в формуле (6) вычисляется следующим образом

Поэтому добротность

Для излучателя с формой, близкой к квадратной, ширина пластинки w уменьшается пропорционально росту замедления

где через w(1) обозначена ширина квадратного излучателя при воздушной подложке, когда β=1.

Сопротивление излучения торцевой кромки

где λ - длина волны в пустоте.

Обозначая толщину подложки через h, для волнового сопротивления Т-волны в пренебрежении кромочным эффектом имеем

Поэтому добротность

Эквивалентная схема для случая включения параллельной концевой емкости изображена на фиг.3а.

Полная входная проводимость в сечении А-А

Условие резонанса на частоте ω₀

Вводят коэффициент укорочения резонансного размера - это отношение резонансного размера излучающей пластинки при наличии укорачивающих его элементов (диэлектрика или концевых емкостей) к резонансному размеру излучающей пластинки при отсутствии упомянутых элементов, и он равен эквивалентному замедлению - β. Учитывая, что в отсутствие емкости резонансный размер составит , имеем

λ₀ - резонансная длина волны.

Отсюда условие резонанса перепишется в виде

где Х_C0 - емкостное сопротивление на резонансной частоте.

Далее имеем

Откуда добротность

Снова рассматривая антенну с формой, близкой к квадратной, аналогично (9)-(13) имеем

График зависимости функции в квадратных скобках, дающей зависимость добротности от эквивалентного замедления, показан на фиг.4.

На указанном графике пунктирной линией показана зависимость добротности от замедления для случая сплошного диэлектрика.

Можно отметить, что при достаточно больших β

Эта асимптотика показана на той же фиг.4 точками. Таким образом, уже при замедлениях порядка 1,5 добротность составляет приблизительно 0,8 от ранее рассмотренных случаев диэлектрического заполнения (13). Следовательно, сокращение резонансного размера с помощью концевой емкости обеспечивает приблизительно 20% и более расширение полосы пропускания по сравнению со сплошной диэлектрической подложкой, не увеличивая при этом габаритный размер микрополосковой антенны.

В соответствии с вышеизложенными расчетами предложена конструкция антенной системы для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в широкой полосе частот, в которой излучающая пластинка и ее экранирующая пластинка верхнего антенного элемента отделены друг от друга на определенное расстояние, образуя при этом воздушное пространство между ними. Система возбуждения формирует в верхнем антенном элементе высокочастотные колебания определенного типа. Пластинка нижнего антенного элемента соответственно отделена от экранирующей пластинки нижнего антенного элемента на заданное расстояние воздушным пространством.

Емкостные элементы предложено выполнять в виде загнутых элементов, которые имеют различную форму и варианты загиба и расположения по краям пластинок. Так, емкостные элементы выполнены на верхнем антенном элементе и нижнем антенном элементе. Таким образом, загнутые элементы расположены, по меньшей мере, по двум краям излучающей пластинки и/или экранирующей пластинке верхнего антенного элемента. Также загнутые элементы расположены, по меньшей мере, по двум краям пластинки и/или экранирующей пластинке нижнего антенного элемента.

Для обеспечения работы антенны в режиме линейной поляризации загнутые элементы выполнены, в виде: ребер заданной протяженности, которые распложены вдоль краев излучающей пластинки верхнего антенного элемента параллельно Н-плоскости, а также ребер вдоль соответствующих краев экранирующей пластинки верхнего антенного элемента параллельно Н-плоскости. Для нижнего антенного элемента ребра расположены вдоль краев пластинки и экранирующей пластинки нижнего антенного элемента, симметрично Н-плоскости, т.е. вдоль оси у, как проиллюстрировано на фиг.6, 6a-6h. Как вариант, емкостные элементы выполнены как двумерно-периодическая система ребер, представляющая собой набор более коротких отдельных ребер - гребенок, как показано на фиг.7, 7а-7k. При этом длина этих элементов, их высота и количество определяют общую эквивалентную емкость. Причем для уменьшения резонансного размера антенны необходимо обеспечить большую площадь перекрытия элементов со стороны излучающей пластинки и экранирующей пластинки. Соответственно, наименьший резонансный размер дает конструкция антенной системы со сплошным ребром, показанная на фиг.6, 6a-6h.

Предложенные варианты выполнения на пластинках соответствующих загибов позволяют расширить полосу пропускания антенны и использовать при этом всю поверхность излучающей пластинки для установки на них других элементов конструкции.

Для круговой поляризации емкостные элементы должны быть выполнены как двумерно-периодическая система отдельных ребер - г