Широкополосная рупорно-микрополосковая антенна

Широкополосная рупорно-микрополосковая антенна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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, в мониторинге, в решении задач электромагнитной совместимости.

Известна «Малогабаритная антенна» (см. А.с. СССР №1141482, МПК H01Q 13/10, опубл. 23.02.85 г., бюл. №7). Она содержит две металлические пластины, размещенные параллельно металлическому экрану, одна из них соединена с экраном с помощью шунта, а вторая - с фидером, и фидерное кольцо.

Антенна обеспечивает повышение стабильности формы диаграммы направленности (ДН) в рабочей полосе частот при уменьшении габаритов и сохранении коэффициента усиления.

В качестве основного недостатка аналога следует отметить их недостаточную широкополосность для работы с ШП сигналами современных систем связи (спутниковых систем связи, систем связи с мобильными абонентами), а также большие размеры.

Известна «Широкополосная трехдиапазонная рупорно-микрополосковая антенна» (см. пат. РФ №2345453, МПК H01Q 13/02, опубл. 27.01.2009 г., бюл. №3). Она содержит рупор, выполненный из металла в форме прямого цилиндра с квадратным сечением, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатор, образованный экраном-рефлектором и металлической пластиной, укрепленной соосно и симметрично на первом шунте в форме круглого прямого цилиндра в центре внутренней стороны экрана-рефлектора, при этом плоскость металлической пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору, и обеспечен надежный механический и электрический контакт, пластина резонатора выполнена в форме равнобедренного треугольника, а вершина равнобедренного треугольника пластины резонатора дополнена симметрично выступающими полосковыми элементами, местоположение и размеры которых определяются значениями заданных рабочих полос частот, вершина равнобедренного треугольника соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии, причем коаксиальная линия подведена к пластине резонатора через боковую стенку рупора перпендикулярно к ней, а внешний проводник линии закреплен на боковой стенке рупора, второй шунт закреплен на пластине резонатора по середине между первым шунтом и вершиной равнобедренного треугольника, а второй конец - на экране рефлектора.

Аналог обеспечивает эффективный прием и передачу широкополосных сигналов известных стандартов сотовых и транковых систем связи. Кроме того, обеспечивается резкое сокращение массогабаритных характеристик антенны.

В качестве недостатка антенны следует отметить следующее. При работе антенны в различных полосах частот фазовый центр антенны (см. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учебн. для радиотехнич. спец. ВУЗов. - М.: Высш. шк., 1988, стр. 197-198; Сверхширокополосные антенны. Пер. с английского С.В. Попова и В.А. Журавлева. – М.: Мир, 1964, стр. 377-381) смещается. Это влечет за собой ошибки в оценке пространственных параметров принимаемых сигналов при работе аналога в составе антенной решетки (см. пат. РФ №2305851, МПК G01S 5/04, опубл. 10.09.2007 г.).

Известно устройство «Ультраширокополосная компактная рупорно-микрополосковая антенна с высокой направленностью» (см. пат. РФ №2289873, МПК H01Q 13/02, опубл. 20.12.2006 г., бюл. №35).

Аналог содержит усеченный конический рупор, снабженный плоской стенкой на узкой стороне из металла, представляющей собой экран-рефлектор, резонатор, образованный экраном-рефлектором и круглой пластиной из металла, 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 металла 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.

Аналог обеспечивает прием и передачу сигналов в сравнительно широкой полосе частот. Кроме того, достигается уменьшение габаритов антенны и снижение уровня боковых лепестков ДН. Однако из-за сохранения значительных габаритов затруднено использование ее в качестве элемента антенной решетки.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявляемому устройству является «Широполосная рупорно-микрополосковая антенна» (см. пат. РФ №2382450, МПК H01Q 13/02, опубл. 20.02.2010 г., бюл. №5).

Устройство-прототип содержит рупор, выполненный из металла и имеющий форму прямого цилиндра с прямоугольным сечением, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатор, образованный экраном-рефлектором и металлической пластиной, содержащей компланарный волновод и П-образную нагрузку, оси симметрии которых совпадают и перпендикулярны двум противолежащим больших размеров боковым стенкам рупора и проходят через ось симметрии, верхняя часть П-образной нагрузки компланарного волновода пластины резонатора дополнена симметрично выступающими полосковыми элементами, местоположение и размеры которых определяются значением рабочей полосы частот, а компланарный волновод выполнен из прямого токопроводящего проводника, местоположение которого совпадает с осью симметрии компланарного волновода, с одной стороны токонесущий проводник электрически соединен с краем П-образной нагрузки в точке, находящейся вблизи центра диэлектрической подложки пластины резонатора, два внешних проводника компланарного волновода, прилегающих с обеих сторон к токонесущему проводнику, имеют симметричную ступенчатую форму, которая определяется значением заданного диапазона рабочей полосы частот, а нижние концы внешних проводников компланарного волновода электрически соединены с боковой стенкой рупора, второй конец токонесущего проводника компланарного волновода металлической пластины резонатора электрически соединен с центральным проводником коаксиальной линии, причем коаксиальная линия подведена к металлической пластине резонатора через боковую стенку рупора перпендикулярно к ней, а внешний проводник коаксиальной линии электрически подключен к боковой стенке рупора.

Антенна-прототип обеспечивает получение оптимального распределения электромагнитного распределения электромагнитного поля по апертуре антенны в заданной полосе частот 1,5-2,85 ГГц, с КСВ не хуже 3, значительное уменьшение габаритных размеров.

Известно, что широкополосные рупорно-микрополосковые антенны (ШРМА) находят широкое применение в составе фазированных антенных решеток для измерения пространственных параметров радиосигналов. Одним из важнейших требований к таким ШРМА является инвариантность (независимость) местоположения их фазового центра (ФЦ) от используемого частотного диапазона. В прототипе за счет специальной конфигурации излучателя и его положения относительно стенок рупора позволило достигнуть некоторой стабильности местоположения фазового центра ШРМА. В каждом участке диапазона частот растекание токов возбуждения по излучателю осуществляется по особым специально сформированным направлениям, чем и достигается положительный эффект. Наибольшее смещение ФЦ по одной из координат составило 4 мм, что менее 0,04 минимальной длины волны рабочего диапазона.

Несимметричное возбуждение коробчатого рупора излучателя, размещенного на «пьедестале», позволило в значительной мере уменьшить изменение местоположения ФЦ антенны в рабочем диапазоне частот. И, тем не менее, оно остается значительным ((ΔY_max/λ)360°=(4 мм/100 мм)360°=14°), что требует специальных мер при обработке результатов оценивания пространственных параметров сигналов.

Целью заявляемого технического решения является разработка широкополосной рупорно-микрополосковой антенны, обеспечивающей уменьшение смещения фазового центра в рабочей полосе частот.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из рупора, имеющего форму металлического прямого цилиндра с прямоугольным сечением, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатора, образованного экраном-рефлектором и металлической пластиной, расположенной на первой диэлектрической пластине и укрепленной соосно и симметрично внутри рупора, при этом плоскость металлической пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору, и коаксиальной линии, дополнительно в качестве металлической пластины резонатора используют симметричный вибратор, причем его продольная ось симметрии совпадает с осью симметрии первой диэлектрической пластины и перпендикулярна двум противолежащим больших размеров боковым стенкам рупора, центр симметричного вибратора резонатора совпадает с центром первой диэлектрической пластины, а каждое плечо симметричного вибратора выполнено в виде плоского равнобедренного треугольника с прямым углом при вершине, примыкающие друг к другу вершины равнобедренных треугольников совпадают с центром симметричного вибратора, а к основаниям прямоугольных равнобедренных треугольников усеченной стороной подключены полукруглые пластины, размеры которых взаимно совпадают, по линии подключения пластин от кромок выполнены по две прорези равной длины, клиновидное микрополосковое симметрирующее устройство, содержащее Г-образный полосковый элемент, размещенный на второй диэлектрической пластине, на другой стороне которой под Г-образным полосковым элементом размещена Г-образная клиновидная подложка, причем плоскость второй диэлектрической пластины клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства размещена перпендикулярно плоскости первой диэлектрической пластины резонатора, экрану-рефлектору, двум противолежащим малого размера боковым стенкам рупора и совпадает с линией симметрии симметричного вибратора, основание клиновидной подложки клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства электрически соединено с боковой стенкой малого размера рупора, а противоположную заостренную сторону в центре резонатора электрически соединяют с первым плечом симметричного вибратора, второе плечо которого электрически соединено с заостренной стороной Г-образного полоскового элемента клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства, второй конец которого электрически соединен с внутренним проводником коаксиальной линии, внешний проводник которого электрически соединен с малой стенкой рупора.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что используют резонатор специальной формы, позволяет достичь цели изобретения: разработать широкополосную рупорно-микрополосковую антенну, обеспечивающую уменьшение смещения ее фазового центра в рабочей полосе частот.

Технический результат достигается за счет создания антенны, объединяющей положительные качества двух различных типов антенн: рупора и симметричного вибратора, использующего клиновидное микрополосковое симметрирующее устройство. Комбинация рупора коробчатого типа в виде прямого цилиндра с прямоугольным сечением (см. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. - М.: Энергия, 1966, стр. 509-512; Справочник по антенной технике: Справ. В 5 т. Т. 1./П.Д. Бахрах, Л.С. Бенинсон, Е.Г. Зелкин и др. Под ред. Я.Н. Фельда, Е.Г. Зелкина. - М.: ИПРЖР, 1997 г. - 256 с.) и излучателя в виде симметричного вибратора, плечи которого имеют специальную форму, позволяет получить оптимальное распределение электромагнитного поля по апертуре антенны в заданной полосе частот 800-3000 МГц без смещения фазового центра антенны. Предлагаемая конструкция антенны позволяет при сохранении коэффициента усиления и габаритных характеристик изделия дополнительно расширить диапазон рабочих частот на 63%. При этом максимум диаграммы направленности во всем диапазоне рабочих частот не имеет смещения.

Заявляемая антенна поясняется чертежами, на которых:

на фиг. 1 - общий вид заявленной антенны;

на фиг. 2 - симметричный вибратор в масштабе 2:1;

на фиг. 3 - вид антенны в разрезе;

на фиг. 4 - рисунок, поясняющий работу антенны;

на фиг. 5 - диаграмма направленности антенны в вертикальной (слева) и горизонтальной (справа) плоскостях для различных частот;

на фиг. 6 - результаты экспериментальных измерений входного сопротивления антенны;

на фиг. 7 - график зависимости КСВ от частот.

Широкополосная рупорно-микрополосковая антенна (см. фиг. 1, 2 и 3) содержит рупор 1, имеющий форму прямого цилиндра с прямоугольным сечением, выполненный из металла, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатор 8, образованный экраном-рефлектором и металлической пластиной 3, расположенной на первой диэлектрической пластине 2 и укрепленной соосно и симметрично внутри рупора 1, при этом плоскость металлической пластины 3 резонатора 8 параллельна экрану-рефлектору, и коаксиальную линию 4.

Металлическая пластина резонатора 3 (см. фиг. 2) представляет собой симметричный вибратор, причем продольная ось симметрии симметричного вибратора 3 резонатора 8 совпадает с осью симметрии первой диэлектрической пластины 2 и перпендикулярна двум противолежащим больших размеров боковым стенкам рупора 1. Центр симметричного вибратора 3 резонатора 8 совпадает с центром первой диэлектрической пластины 2. Каждое плечо симметричного вибратора 3 резонатора 8 состоит из пластины в форме прямоугольного равнобедренного треугольника, вершина с прямым углом которого совпадает с центром симметричного вибратора 3 резонатора 8. К основанию прямоугольного равнобедренного треугольника подключена полукруглая пластина, усеченная (прямая) сторона которой совмещена с основанием прямоугольного равнобедренного треугольника. Размеры последних взаимно совпадают. По линии совмещения основания прямоугольного равнобедренного треугольника и полукруга выполняют две прорези 10 равной длины, каждая из которых берет начало от их кромок.

Клиновидное микрополосковое симметрирующее устройство 9 содержит Г-образный полосковый элемент 6, размещенный на второй диэлектрической пластине 5, и Г-образную клиновидную подложку 7, расположенную под Г-образным полосковым элементом 6 на другой стороне второй диэлектрической пластины 5.

Вторую диэлектрическую пластину 5 клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства 9 размещают перпендикулярно первой диэлектрической пластине 2 резонатора 8, экрану-рефлектору, двум противолежащим малого размера боковым стенкам рупора 1 и совмещают с линией симметрии симметричного вибратора. Основание Г-образной клиновидной подложки 7 клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства 9 электрически соединяют с боковой малого размера стенкой рупора 1. Противоположную заостренную сторону клиновидной подложки 7 электрически соединяют с первым плечом симметричного вибратора. Второе плечо симметричного вибратора электрически соединяют с заостренной стороной Г-образного полоскового элемента 6. Второй конец Г-образного полоскового элемента 6 электрически соединяют с внутренним проводником коаксиальной линии 4. Внешний проводник коаксиальной линии 4 электрически соединяют со стенкой рупора 1.

На фиг. 2 и 3 приведены оптимальные размеры предлагаемой антенны. Форма ее излучателя 3 и габаритные размеры рупора 1 были получены в результате моделирования в «FEKO». Далее они были уточнены при реализации макета. Предлагаемая конструкция антенны обеспечивает удовлетворительное согласование и однонаправленное излучение в диапазоне 0,8-3 ГГц при КВС≤3. Площадь раскрыва антенны составляет 165×75 мм. Площадь заземленного экрана-рефлектора рупора 1 также составляет 165×75 мм. Размеры коробчатого рупора 1 165×75×75 мм.

Известно, что у волновода прямоугольного сечения, возбуждаемого волной H₀₁ скачком или через небольшой секториальный переход, меняется сечение на значительно более широкое, такое, чтобы в нем могла распространятся волна Н₀₃ (при соблюдении симметрии системы волна Н₀₂ не возбуждается). Подбором размеров коробчатого излучателя достигается регулирование соотношения амплитуд и фаз полей H₀₁ и Н₀₃. Фазы полей в рупоре 1 заявляемого устройства подобраны таким образом, чтобы они были противоположны в средней части излучателя и одинаковы на краях. При этом достигается более равномерное поле в раскрыве коробчатого рупора 1.

Первая диэлектрическая пластина 2 выполнена в форме квадрата с размерами сторон 75 мм. Размещена соосно и параллельно экрану-рефлектору, симметрично и соосно площади раскрыва антенны на глубине 20 мм. На ее поверхности размещена металлическая пластина резонатора 3, представляющая собой симметричный вибратор. Продольная ось симметрии плеч симметричного вибратора 3 совпадает с осью симметрии первой диэлектрической пластины 2 и перпендикулярна двум противолежащим больших размеров боковым стенкам рупора 1. Центр симметричного вибратора совпадает с центров первой диэлектрической пластины 2. Каждое плечо симметричного вибратора 3 состоит из металлической пластины в форме прямоугольного равнобедренного треугольника с боковыми стенками длиной 25 мм. Длина основания прямоугольного равнобедренного треугольника составляет 40 мм. Вершина пластины с прямым углом совпадает с центром симметричного вибратора 3. Основание равнобедренного треугольника дополнено полукруглой пластиной с радиусом R=20 мм, усеченная (прямая) сторона которой совмещена с основанием прямоугольного равнобедренного треугольника. Размеры последних взаимно совпадают. По линии совмещения основания прямоугольного равнобедренного треугольника и полукруглой пластины выполнены две прорези 10 равной длины =8 мм, каждая из которых берет начало в вершинах углов основания прямоугольного равнобедренного треугольника. Ширина прорези =0.5 мм.

Суммарная длина обеих плеч симметричного вибратора 3 составляет 75 мм. Внешний вид металлической пластины резонатора 3 в масштабе 2:1 приведен на фиг. 2.

Вторая диэлектрическая пластина 5 выполнена в форме прямоугольника со сторонами 53×95 мм. Плоскость второй диэлектрической пластины 5 размещают перпендикулярно плоскости первой диэлектрической пластины 2 резонатора 8, экрану-резонатору, двум противолежащим малого размера боковым стенкам резонатора 1 и одновременно она совпадает с линией симметрии симметричного вибратора 3.

На второй диэлектрической пластине 5 (см. фиг. 3) размещают клиновидное симметрирующее устройство Г-образной формы 9. С одной стороны находится Г-образный полосковый элемент 6, берущий начало в середине узкой (53 мм) стороны второй диэлектрической пластины 5. Этот конец полосковой линии 6 через отверстие в боковой стенке рупора 1 электрически подключен к центральной жиле коаксиальной линии 4. Второй конец (заточенный) под прямым углом проходит через отверстие в первой диэлектрической пластине 2 и электрически подключается к одному из плеч симметричного вибратора 3.

На другой стороне второй диэлектрической пластины 5 под полосковым элементом 6 размещают Г-образную клиновидную подложку 7. Основание Г-образного клина 7 шириной 15 мм электрически соединено с боковой малых размеров стенкой рупора 1. Верхняя (узкая) часть клиновидной подложки 7 через отверстие в первой диэлектрической пластине 2 соединено со вторым плечом симметричного вибратора 3 резонатора 8. При этом боковая стенка рупора 1 электрически соединена с внешним проводником коаксиальной линии 4.

Широкополосная рупорно-микрополосковая антенна работает следующим образом. Заявляемая антенна (см. фиг. 1, 2 и 3) состоит из двух основных частей: рупора 1 и резонатора 8, представляющего собой микрополосковую антенну специальной формы и запитанную особым способом - через боковую стенку рупора с использованием клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства 9. Симметрирующее устройство 9 выполнено в виде полоски над клиновидной подложкой (см. Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 1.: Пер. с нем. - М.: ЛАИТ Лтд. 2000. - 416 с, стр. 140), на которой, при необходимости, может быть размещен малошумящий антенный усилитель. В задачу клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства 9 входит обеспечение перехода от несимметричной питающей коаксиальной линии 4 к симметричному излучателю 3 и улучшение степени настройки (согласования) антенны (симметричного вибратора) с фидером в заданной полосе частот. Широкополосность антенны достигается благодаря применению «каплевидной» (экспоненциальной) формы плеч симметричного вибратора 3 (см. Мейнке X. и Гундлах Ф.В. Радиотехнический справочник. Том 1: Пер. с нем. – М.: Государственное энергетическое издательство, 1960, стр. 305, 314). Настройку согласования в области нижних частот осуществляют на этапе машинного моделирования путем подбора формы, ориентации и размеров щелей 10, прорезанных на плоскости плеч симметричного вибратора 3. Использование прорезей 10 позволило улучшить согласование в области нижних частот, что стало возможно благодаря удлинению пути токов проводимости I (Kin-Lu Wong. Compact and Broadband Microstrip Antennas, by John Wiley & Sons, Ins, Inc., New York 2002. - 330 p.), растекающихся по металлической поверхности вибратора 3 (см. фиг. 4).

С помощью программы CST MICROWAVE STUDIO выполнены расчеты входного сопротивления и согласования антенны в диапазоне частот 0,8-3 ГГц, позволившие достичь идентичность с характеристиками прототипа. Экспериментальная проверка входного сопротивления и согласования антенны (см. фиг. 5 и фиг. 6) подтвердила результаты расчета. Теоретически симметричный вибратор 3 относится к классу антенн с частотно-независимым положением фазового центра и только взаимодействие с рупором могло привести к нарушению этого положения (Справочник по антенной технике: Справ. В 5 т., Т. 1 / Л.Д. Бахрах, Л.С. Бенинсон, Е.Г. Зелкин и др.; Под ред. Я.Н. Фельда, Е.Г. Зелкина. - М.: ИПРЖР, 1997, стр. 33). Расчеты местоположения фазового центра показали его несмещаемость из точки, расположенной в середине симметричного вибратора 3 во всем диапазоне частот. Экспериментально это подтверждается симметричностью диаграмм направленности во всем диапазоне частот в обеих плоскостях (см. фиг. 5). Последнее невозможно достичь при смещении фазового центра антенны. Это качество является основным отличием от прототипа и дает преимущество для использования в фазовом радиопеленгаторе.

Все детали антенны согласно настоящему изобретению имеют простую форму и сделаны из однородного и однотипного материала. Это позволяет реализовать изготовление их в массовом производстве, используя прессовку и традиционные методы изготовления печатных плат. В качестве диэлектрической подложки 2 и 5 могут быть использованы диэлектрики с параметрами ε≈2,5 и tgδ=10^-4-10^-3. Толщина пластин 2 и 5 может составлять (0.002-0.001)λ.

Широкополосная рупорно-микроволновая антенна, состоящая из рупора, имеющего форму металлического прямого цилиндра с прямоугольным сечением, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатора, образованного экраном-рефлектором и металлической пластиной, расположенной на первой диэлектрической пластине и укрепленной соосно и симметрично внутри рупора, при этом плоскость металлической пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору, и коаксиальной линии, отличающаяся тем, что металлическая пластина резонатора выполнена в виде симметричного вибратора, причем его продольная ось симметрии совпадает с осью симметрии первой диэлектрической пластины и перпендикулярна двум противолежащим больших размеров боковым стенкам рупора, центр симметричного вибратора совпадает с центром первой диэлектрической пластины, а каждое плечо симметричного вибратора выполнено в виде плоского равнобедренного треугольника с прямым углом при вершине, примыкающие друг к другу вершины равнобедренных треугольников совпадают с центром симметричного вибратора, а к основаниям прямоугольных равнобедренных треугольников усеченной стороной подключены полукруглые пластины, размеры которых взаимно совпадают, по линии подключения полукруглых пластин от кромок выполнены по две прорези равной длины, клиновидное микрополосковое симметрирующее устройство, содержащее Г-образный полосковый элемент, размещенный на второй диэлектрической пластине, на другой стороне которой под Г-образным полосковым элементом размещена Г-образная клиновидная подложка, причем плоскость второй диэлектрической пластины клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства размещена перпендикулярно плоскости первой диэлектрической пластины резонатора, экрану-рефлектору, двум противолежащим малого размера боковым стенкам рупора и совпадает с линией симметрии симметричного вибратора, основание Г-образной клиновидной подложки клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства электрически соединено с боковой малого размера стенкой рупора, а противоположная заостренная сторона в центре резонатора электрически соединена с первым плечом симметричного вибратора, второе плечо которого электрически соединено с заостренной стороной Г-образного полоскового элемента клиновидного микрополоскового симметрирующего устройства, второй конец которого электрически соединен с внутренним проводником коаксиальной линии, внешний проводник которой электрически соединен со стенкой рупора.