ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенной технике, и может быть использовано в качестве самостоятельной многодиапазонной высокоточной активной приемной антенны. В частности антенна может применяться как прецизионная приемная антенна с подавлением эффекта многолучевости от подстилающей поверхности аппаратуры высокоточного позиционирования по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, BEYDOW во всех диапазонах их работы.

Основным источником погрешностей определения координат по сигналам спутниковых навигационных систем является эффект многолучевости, обусловленный переотражением сигналов спутника от подстилающей поверхности. Этот эффект является источником фазовых шумов, что приводит к ошибкам определения фазы сигнала и, как следствие, ошибкам определения координаты. Для борьбы с эффектом многолучевости при конструировании антенн для прецизионных измерений применяются специальные экраны, которые представляют собой импедансные поверхности, в центр которых устанавливается непосредственно сам антенный элемент.

Основным недостатком таких экранов является то, что при их использовании сужается диаграмма направленности антенного элемента и «размывается» его фазовый центр, что в свою очередь, соответственно, приводит к уменьшению принимаемой мощности сигнала со спутников на низких углах возвышения и к снижению точности определения истинных координат.Уменьшить влияние специальных экранов на параметры антенных элементов возможно за счет применения различных способов установки антенного элемента на экран относительно его импедансной поверхности (установка в углубление в экране, введение дополнительных развязывающих плоскостей и т.п.). Однако эти методы не позволяют кардинально решить проблему [М. Maqsood, S. Gao, Т. Brown, Μ. Unwin. Effects of ground plane on the performance of multipath mitigating antennas for GNSS. Antennas and propagation conference, 2010, Laughborough, pp. 242-247].

Известна антенна, состоящая из проводящего экрана, радиус которого меньше длины волны излучения антенны и антенного элемента, расположенного над этим экраном на расстоянии меньше длины волны излучения антенны [патент WO №2008092592, кл. Н01С) 9/04,опубл. 2008 г.]. Вокруг антенного элемента радиально симметрично расположено множество резонансных элементов круглой, овальной или квадратной формы, электрически соединенных с проводящим экраном. Подавление эффекта многолучевости достигается за счет радиально расположенных резонансных элементов.

Недостатком этой антенны является существенное сужение диаграммы направленности на малых углах места.

Известна антенна, состоящая из керамического кольца с множеством концентрических сегментов, коаксиально расположенных вокруг центральной площадки, на которую установлен антенный элемент круглой формы [патент США №6040805, кл. H01Q 13/06, H01Q 15/00, H01Q 15/14, опубл. 2000 г.]. Сегменты находятся друг от друга на некотором расстоянии и могут быть заключены в металлическую оболочку. Верхняя поверхность керамического кольца и оболочка имеют коническую форму для удаления влаги с поверхности. Подавление эффекта многолучевости достигается при помощи кольцевого дросселя, которым, по сути, является керамическое кольцо с множеством концентрических сегментов.

Недостатком этой антенны является большая нестабильность фазового центра и возможность подавления многолучевости только на одной частоте работы антенны.

Известна широкополосная антенная система, которая содержит плоскость заземления, содержащую: первую поверхность, имеющую первый поперечный размер; и полость, заполненную воздухом, причем полость содержит вторую поверхность, имеющую второй поперечный размер; и поверхность боковой стенки, имеющую первую высоту; и излучающий элемент, имеющий третий поперечный размер, причем излучающий элемент расположен поперечно в пределах плоскости, имеет вторую высоту от первой поверхности [патент РФ №2510967, кл. Н01Q 9/04, опубл. 10.04.2014 г.]. Подавление эффекта многолучевости достигается за счет выбора поперечного размера плоскости заземления, равного половине длины волны излучения антенны, что обеспечивает резонансное подавление сигналов в нижней полусфере.

Недостатком этой антенны является суженная диаграмма направленности.

Наиболее близкой по технической сущности к представленному устройству является геодезическая антенна, включающая металлическое основание круглой формы с верхней и нижней поверхностями, расположенный на верхней поверхности в ее центре антенный элемент для приема радиосигнала и экраны, расположенные концентрически вокруг антенного элемента с сформированными между ними резонансными щелями, и промежуточные импедансные плоскости [патент США №6278407, кл. Н01Q 19/10, Н01Q 9/04, опубл. 2001 г.].

Основание имеет множество концентрических желобов (дросселей), сформированных на верхней поверхности, расположенных концентрически вокруг центральной точки. Основание снабжено промежуточными импедансными земляными плоскостями, каждая из которых расположена в соответствующем желобе и параллельна верхней плоскости. В каждой импедансной земляной поверхности сформирована щель, в которой расположен по крайней мере один фильтр электромагнитных волн. Промежуточная импедансная земляная плоскость располагается в желобе на расстоянии от верхней плоскости от одной пятой до одной четвертой первой длины волны.

Подавление эффекта многолучевости в этой антенне достигается путем объединения электромагнитной фильтрующей структуры с желобами кольцевого дросселя, что позволяет ему обеспечивать подавление эффекта многолучевости в каждой полосе частот.

Недостатком этой антенны является то, что двухчастотный кольцевой дроссель, служащий для подавления эффекта многолучевости, расположен на одной поверхности с антенным элементом, сужает его диаграмму направленности и ухудшает стабильность фазового центра.

Технической задачей, решаемой изобретением, является подавление эффекта многолучевости от подстилающей поверхности при приеме сигналов спутниковых систем с одновременным расширением диаграммы направленности антенны на малых углах места и повышении стабильности ее фазового центра.

Указанная задача решается тем, что геодезическая антенна, включающая металлическое основание круглой формы с верхней и нижней поверхностями, расположенный на верхней поверхности в ее центре антенный элемент для приема радиосигнала и экраны, расположенные концентрически вокруг антенного элемента с сформированными между ними резонансными щелями, и промежуточные импедансные плоскости, дополнительно содержит радиопрозрачный обтекатель и малошумящий усилитель с СВЧ разъемом, верхняя поверхность основания выполнена в виде ступенчатого усеченного прямого конуса, нижняя поверхность основания выполнена с выемкой в центре, каждый экран выполнен на диэлектрической подложке, и имеет с одной стороны импедансную плоскость в виде частотно-селективной поверхности, обеспечивающую полосу задержки сигнала в радиальном направлении в одном из рабочих диапазонов частот, а с другой - земляную поверхность, экраны выполнены в виде колец, установленных на каждой второй ступени конуса основания земляными поверхностями вверх таким образом, что земляные поверхности имеют электрический контакт с основанием, образуя между собой и между нижним экраном и основанием радиальные резонансные щели, отверстие каждого кольца соответствует форме и размеру ступени, на которой кольцо установлено, при этом число экранов N равно числу рабочих диапазонов Μ антенного элемента, глубина каждой щели L_щ от края металлического основания равна четверти замедленной длины волны λ_β на центральной частоте полосы задержки частотно-селективной поверхности экрана, расположенного над этой щелью L_щk=λ_gk/4, где k=l,…Ν - номер экрана, начиная от самого верхнего, земляная поверхность верхнего экрана расположена на одном уровне с усеченной вершиной основания, образуя ровную экранную плоскость многодиапазонного антенного элемента, антенный элемент коаксиальными кабелями, проложенными в теле металлического корпуса, подключен к плате малошумящего усилителя, расположенного в выемке основания.

Целесообразно радиопрозрачный обтекатель герметично укрепить на металлическом основании.

Целесообразно использовать число коаксиальных кабелей равным числу точек питания антенного элемента и кратно двум.

Преимущественно малошумящий усилитель представляет собой двухслойную печатную плату, на одной стороне которой выполнена проводящая топология и установлены компоненты, а на другой стороне - земляная поверхность, которая при установке усилителя прижимается к проводящей стенке основания.

Целесообразно на входе платы малошумящего усилителя установить квадратурный сумматор для сложения равноамплитудных сигналов, приходящих по кабелям, с разностью фаз в 90 градусов, а выемку герметично закрыть металлической крышкой, на которой установлен герметичный СВЧ разъем, подключенный к выходу платы малошумящего усилителя с помощью коаксиального кабеля.

Целесообразно размеры выемки выбрать из условия получения запредельного резонатора для всех диапазонов частот работы антенны, а щели заполнить диэлектрической средой, например воздухом, пеной или твердым диэлектриком.

Целесообразно частотно-селективную поверхность экрана выполнить в виде метаматериала, при этом экран выполнить в виде многослойной печатной платы, один из внешних слоев которой представляет собой земляную поверхность, на других слоях платы выполнен проводящий рисунок, представляющий собой периодическую ячеистую структуру. Каждая ячейка структуры экрана содержит индуктивные элементы, один конец которых закорочен на землю, а соседние ячейки соединены между собой емкостными элементами.

На фиг. 1 представлен общий вид антенны в разрезе.

На фиг. 2 - вариант исполнения частотно-селективной поверхности в виде метаматериала на основе EBG-структуры.

На фиг. 3 - поперечный разрез экрана с метаматериалом.

На фиг. 4 - ячейка структуры экрана с метаматериалом.

На фиг. 5 - фотография двухдиапазонной геодезической антенны.

На фиг. 6 - экспериментальная диаграмма направленности двухдиапазонной геодезической антенны для частоты 1236 МГц.

На фиг. 7 - экспериментальная диаграмма направленности двухдиапазонной геодезической антенны для частоты 1590 МГц.

Геодезическая антенна состоит металлического основания 1 круглой формы с верхней и нижней поверхностями, расположенного на верхней поверхности в ее центре антенного элемента 2 для приема радиосигнала и экранов 3, расположенных концентрически вокруг антенного элемента 2 с сформированными между ними резонансными щелями 4, и промежуточных импедансных плоскостей.

Антенна содержит радиопрозрачный обтекатель 5, герметично укрепленный на металлическом основании 1.

Верхняя поверхность основания 1 выполнена в виде ступенчатого усеченного прямого конуса, нижняя поверхность основания выполнена с выемкой 6 в центре.

Каждый экран 3 выполнен на диэлектрической подложке и имеет с одной стороны импедансную плоскость в виде частотно-селективной поверхности, обеспечивающую полосу задержки сигнала в радиальном направлении в одном из рабочих диапазонов частот, а с другой - земляную поверхность. В заявляемой антенне ЧСП расположены друг под другом по закону фактического возрастания их частотных диапазонов, т.е. вверху находится частотно-селективная поверхность на самый нижний частотный диапазон, а внизу - на самый верхний частотный диапазон.

Экраны 3 выполнены в виде колец, установленных на каждой второй ступени конуса основания 1 земляными поверхностями вверх таким образом, что земляные поверхности имеют электрический контакт с основанием 1, образуя между собой и между нижним экраном 3 и основанием 1 радиальные резонансные щели 4. Щели 4 заполнены диэлектрической средой, например воздухом, пеной или твердым диэлектриком.

Отверстие каждого кольца экрана 3 соответствует форме и размеру ступени, на которой кольцо установлено. Число экранов 3 N равно числу рабочих диапазонов Μ антенного элемента 2.

Глубина каждой щели 4 L_щ от края металлического основания 1 выбирают равной четверти замедленной длины волны λ_g на центральной частоте полосы задержки частотно-селективной поверхности экрана 3, расположенного над этой щелью 4 L_щk=X_gk/4, где k=l,…Ν - номер экрана 3, начиная от самого верхнего.

Земляная поверхность верхнего экрана 3 расположена на одном уровне с усеченной вершиной основания 1, образуя ровную экранную плоскость многодиапазонного антенного элемента 2.

Антенный элемент 2 коаксиальными кабелями 7, проложенными в теле металлического корпуса 1, подключен к плате малошумящего усилителя 8, расположенного в выемке 6 основания 1. Число коаксиальных кабелей 7 равно числу точек питания антенного элемента 2 и кратно двум, обеспечивая, наравне с его формой, высокую стабильность фазового центра антенного элемента 2.

Малошумящий усилитель 8 представляет собой двухслойную печатную плату, на одной стороне которой выполнена проводящая топология и установлены компоненты, а на другой стороне - земляная поверхность, которая при установке усилителя 8 прижимается к проводящей стенке основания 1.

На входе платы малошумящего усилителя 8 установлен квадратурный сумматор для сложения равноамплитудных сигналов, приходящих по кабелям, с разностью фаз в 90 градусов.

Выемка 6 герметично закрыта металлической крышкой 9, на которой установлен герметичный СВЧ разъем 10, подключенный к выходу платы малошумящего усилителя 8 с помощью коаксиального кабеля 11.

Размеры выемки 6 выбирают из условия получения запредельного резонатора для всех диапазонов частот работы антенны. Это обстоятельство позволяет предотвратить самовозбуждение малошумящего усилителя 8 по причине возбуждения собственных резонансов замкнутого объема, в котором установлена плата малошумящего усилителя 8.

Одним из вариантов выполнения экранов 3 является выполнение частотно-селективной поверхности экрана в виде метаматериала. Метаматериал может быть реализован в виде EBG (ElectromagneticBandGap) структуры.

Экран 3 выполнен в виде многослойной печатной платы, один из внешних слоев которой представляет собой земляную поверхность, на других слоях платы выполнен проводящий рисунок, представляющий собой периодическую ячеистую структуру. Каждая ячейка структуры экрана 3 содержит индуктивные элементы, один конец которых закорочен на землю, а соседние ячейки соединены между собой емкостными элементами. Таким образом, вся структура представляет собой распределенную L-C цепь и обладает свойствами полосно-запирающего фильтра (Фиг. 2-4).

Геодезическая антенна работает следующим образом.

Сигнал навигационного спутника принимается антенным элементом 2, после чего через коаксиальные кабели 7 передается на плату малошумящего усилителя 8, который усиливает полезный сигнал и ослабляет внеполосные помехи. С выхода усилителя 8 сигнал передается посредством коаксиального кабеля 11 на СВЧ разъем 10 для последующей обработки приемником. За счет того, что все части СВЧ-тракта имеют хорошие омический и СВЧ контакты с металлическим основанием 1 и между собой, сигнал не подвергается воздействию дополнительных фазовых шумов, а также обеспечивается совместно с фильтрующими цепями малошумящего усилителя 8 равномерность группового времени задержки сигнала в диапазонах работы антенны, что в свою очередь обеспечивает качество фазовых измерений в навигационном приемнике и точность определения координат.

Выбор размеров выемки 6, в котором находится малошумящий усилитель 8, таким образом, что она является запредельным резонатором для всех диапазонов частот работы антенны, равно как и отсутствие щели между металлической крышкой 9 и основанием 1, также препятствует образованию паразитных резонансов и проникновению извне шумовых сигналов. В совокупности все это обеспечивает стабильность фазовых характеристик полезного сигнала.

Металлическое основание 1 сложной формы позволяет разместить и закрепить на нем все элементы геодезической антенны.

Специальные кольцевые экраны 3 совместно с кольцевыми щелями 4, расположенными под каждой конкретной щелью 4, служат для подавления мешающих сигналов в нижней полусфере геодезической антенны, которые образовываются в результате переотражений основного сигнала навигационного спутника от подстилающей поверхности и несут в себе фазовую помеху.

Самый верхний экран 3 установлен таким образом, что его земляная поверхность одновременно является и экранной плоскостью антенного элемента 2. Таким образом, сигналы, приходящие на геодезическую антенну под углами 0-80° относительно зенита, падают на земляную плоскость экрана 3, а он не оказывает влияния на амплитудные, частотные и фазовые характеристики полезного сигнала. В итоге исключается, в отличие от аналогов, влияние экрана 3 на девиацию фазового центра антенного элемента 2 в зависимости от угла прихода навигационного сигнала, что в свою очередь повышает точность определения координат навигационным приемником. Сигналы же от 90° до 180° относительно зенита, поступающие на антенный элемент 2, содержат в себе помеху для полезного сигнала. Эти сигналы ослабляются как частотно-селективными поверхностями, так и четвертьволновыми резонансными щелями. Максимальное ослабление сигнала достигается при 180° относительно зенита. В результате обеспечивается ослабление приема паразитных сигналов антенным элементом 2, что существенно повышает точность навигационных измерений. Ослабление сигнала обеспечивается тем, что каждая частотно-селективная поверхность и каждая четвертьволновая щель под ней имеют полосу подавления сигнала в одном из рабочих частотных диапазонов. Набор частотно-селективных поверхностей и щелей 4 позволяет ослаблять сигналы всех диапазонов, принимаемых антенным элементом 2. При этом частотно-селективная поверхность и резонансная щель 4, располагающаяся под ней, настроены на один и тот же рабочий диапазон. Тем самым достигается максимальное ослабление паразитных сигналов и, как следствие, ослабление фазовых шумов.

На фиг. 5 приведена фотография изготовленной по вышеописанному принципу двухдиапазонной геодезической антенны, спроектированной для одновременной работы в диапазонах L1 и L2 глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS.

На Фиг. 6-7 приведены диаграммы направленности этой антенны, снятые на частотах 1236 и 1590 мегагерц. На графиках по оси X отложены углы падения сигнала на антенну относительно зенита в градусах, по оси Υ отложен коэффициент усиления принятого сигнала в децибелах. Сплошной линией показаны диаграммы для сигналов с правой круговой поляризацией, а пунктирной линией показаны диаграммы для кроссполяризационных сигналов (с левой круговой поляризацией).