Резонансная антенна

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве самостоятельной приемной, передающей или приемопередающей глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) антенны или элемента фазированной антенной решетки.

Известна ГНСС антенна, представляющая собой плоскую щелевую антенную решетку, возбуждаемую с обратной стороны бегущей в микрополосковой линии передачи волной [патент США №20020067315, кл. G03F 7/09; Н01Р 5/08; H01Q 1/36; H01Q 13/10; H01Q 13/20; H01Q 21/26; H01Q 9/27, опубл. 2002-06-06].

Недостатком известной антенны является сложность конструкции и недостаточно высокая стабильность положения фазового центра (±5 мм).

Известна микрополосковая антенна, квадратный излучатель которой питается в двух точках с 90° сдвигом фазы, с помощью печатной платы, содержащей гибридный делитель мощности и устанавливаемой либо на нижней стороне основания антенны, либо на верхней стороне излучателя [патент США №3972049, кл. H01Q 9/04; H01Q 9/40, опубл. 1976-07-27].

Недостатком такой конструкции является узкополосность (прием сигналов только в диапазоне частот L1) и невысокая стабильность положения фазового центра (±10 - ±15 мм).

Наиболее близким техническим решением к предложенному является резонансная антенна, состоящая из основания, установленного над ним антенного элемента, питаемого через расположенные по периферии элемента с периодом 90° по азимуту четырьмя токовводами, расположенной на нижней стороне основания печатной платы и выходного разъема антенны [Попугаев А.Е. Разработка ГНСС антенн в институте интегральных схем (ИИС) им. Фраунгофера, Сборник материалов VI Международного научного конгресса, ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия», Министерство образования и науки российской федерации, г. Новосибирск, 2010 г., с. 86-94]. Схема питания антенного элемента для реализации необходимого амплитудно-фазового распределения с целью достижения правой круговой поляризации выполнена в микрополосковом (печатном) исполнении и расположена на нижней части основания. Схема расположена в центре печатной платы и включает в себя гибридное кольцо, два резистивных делителя. Согласование антенны выполнено с помощью трансформаторов и шлейфов.

Основными недостатками известной антенны являются большие габариты (диаметр 146 мм, высота 25 мм) и недостаточно высокая стабильность положения фазового центра (±8 мм).

Задачей изобретения является улучшение стабильности положения фазового центра и уменьшение габаритов антенны.

Поставленная задача решается тем,что резонансная антенна, состоящая из основания, установленного над ним антенного элемента, питаемого через расположенные по периферии элемента с периодом 90° по азимуту четырьмя токовводами, расположенной на нижней стороне основания печатной платы и выходного разъема антенны, последняя снабжена усеченным полым диэлектрическим конусом, установленным на основании соосно ему, антенный элемент выполнен круглой формы и расположен на верхнем основании диэлектрического конуса в центре, печатная плата снабжена четырехканальной суммирующей микросхемой, расположенной в ее центре.

Преимущественно конус выполнен из диэлектрика с величиной относительной диэлектрической проницаемости от 3,5 до 5 и низкими потерями на СВЧ, например стеклотекстолита, текстолита, гетинакса или фарфора.

Целесообразно токовводы антенного элемента выполнить в виде цилиндрических металлических штырей, имеющих по высоте два участка диаметрами d₁ и d₂, причем d₁>d₂, участок токоввода диаметром d₁ соединен с антенным элементом, а участок токоввода диаметром d₂ соединен с микросхемой печатной платы, выходы которой соединены 50-Омными полосковыми проводниками равной длины с участками токовводов диаметра d₂, а ее вход соединен печатным 50-Омным проводником с выходным разъемом антенны.

Целесообразно для получения левосторонней вращающейся поляризации, печатную плату с микросхемой расположить на верхней плоскости основания в полости диэлектрического конуса.

Для достижения указанного технического результата антенному элементу придана круглая форма и между ним и основанием вставлен усеченный полый диэлектрический конус.

Введение диэлектрика, в котором длина волны уменьшается в корень квадратный из диэлектрической проницаемости этого диэлектрика, позволяет уменьшить размеры антенны, которая представляет собой полуоткрытый резонатор. Этот резонатор, хотя и является полуоткрытым, т.е. имеет неявно выраженный резонанс, все-таки имеет размеры, связанные с длиной волны. Использование диэлектрика, позволяющего уменьшить резонансный размер, и приводит к увеличению стабильности положения фазового центра антенны, т.к. чем меньше размеры антенны, тем меньше смещается ее фазовый центр при падении на нее волн под разными углами. В пределе, когда антенна сожмется в точку, ее фазовый центр будет совпадать с этой точкой и, следовательно, его положение вообще не будет зависеть от направления прихода волны.

Микросхема выполнена в виде четырехканальной суммирующей микросхемы, создающей равномерное амплитудное и квадратурное фазовое распределение мощности между токовводами.

Микрополосковая схема прототипа, расположенная в центре печатной платы и включающая в себя гибридное кольцо и два резистивных делителя в рабочем диапазоне частот антенны, создает значительные амплитудные и фазовые ошибки в распределении мощности между токовводами. Эти ошибки приводят к нестабильности положения фазового центра антенны в рабочем диапазоне частот.

Благодаря использованию четырехканальной суммирующей микросхемы удается создать равномерное амплитудное и квадратурное фазовое распределение мощности между токовводами, слабо зависящее от частоты, с меньшими ошибками по сравнению с прототипом и соответственно с более стабильным положением фазового центра в рабочем диапазоне частот антенны.

На фиг. 1 представлен общий вид резонансной антенны в разрезе.

На фиг. 2 - вид сверху резонансной антенны.

На фиг. 3 - диаграммы направленности резонансной антенны.

Резонансная антенна состоит из основания 1, усеченного полого диэлектрического конуса 2 и антенного элемента 3, расположенного на верхней части диэлектрического конуса 2. Конус 2 выполнен из диэлектрика с величиной относительной диэлектрической проницаемости от 3,5 до 5 и низкими потерями на СВЧ, например стеклотекстолита, текстолита, гетинакса или фарфора.

Антенна имеет печатную плату 4, расположенную на нижней стороне основания 1, и токовводы антенного элемента 3, расположенные по периферии антенного элемента 3 с периодом 90° по азимуту и проходящие в отверстиях диэлектрического конуса 2.

Токовводы выполнены в виде цилиндрических металлических штырей, имеющих по высоте два участка 5 и 6 диаметрами d₁ и d₂, причем d₁>d₂, участок 5 токоввода диаметром d₁ соединен с антенным элементом 3, а участок 6 токоввода диаметром d₂ соединен с микросхемой печатной платы 4, выходы которой соединены 50-Омными полосковыми проводниками равной длины с участками 6 токовводов диаметра d₂, а ее вход соединен печатным 50-Омным проводником с выходным разъемом антенны 7. Участки 5 металлических штырей диаметра d₂ служат для согласования антенного элемента 3 с 50-Омными линиями передачи. Полуоткрытый характер резонатора, возбуждаемого штырями диаметра d₂, позволяет согласовать антенный элемент 3 с питающими линиями передачи в широкой полосе частот: от 1160 до 1615 МГц. Длина участка 6 токоввода, входящего в печатную плату 4, должна быть минимальна, чтобы не замкнуть токоввод на основание 1 антенны.

Печатная плата 4 имеет в своем составе микросхему 8, выполненную в виде четырехканальной суммирующей микросхемы, создающей равномерное амплитудное и квадратурное фазовое распределение мощности между токовводами 3, расположенную в центре платы 4, выходы которой соединены 50-Омными полосковыми проводниками равной длины с металлическими штырями участка 6 диаметра d₂, а ее вход соединен печатным 50-Омным проводником с выходным разъемом антенны 7.

Принцип работы антенны в режиме передачи заключается в следующем: электромагнитная энергия через четырехканальную суммирующую микросхему 8 (в режиме передачи микросхема 8 работает как делитель мощности, деля мощность, поступающую на ее вход на четыре части с фазами 0°, 90°, 180°, 270° и подводя ее к токовводам), поступает в полуоткрытый резонатор, образованный основанием 1 и антенным элементом 3, и излучается в пространство через щель, образованную краем антенного элемента 3 и основанием 1.

Таким образом, антенна излучает четыре линейно поляризованные электромагнитные волны, имеющие сдвиги фаз 0°, 90°, 180°, 270°. Результаты интерференции таких волн является, как известно, [Панченко С.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны, Радио и связь, 1986, 134] - волна эллиптической поляризации. Согласно принципу взаимности [Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Киселев А.Г. Антенно-фидерные устройства, М. Советское радио, 1971, 137] антенна при работе в режиме приема имеет те же характеристики (в том числе диапазон рабочих частот, диаграмму направленности и поляризационные характеристики), что и при работе в режиме передачи.

Печатная плата 4 обеспечивает питание четырех участков 6 металлических штырей диаметра d₂ со сдвигами фазы от штыря к штырю 90° в направлении по часовой стрелке - для создания правосторонней вращающейся поляризации.

Данные по коэффициентам усиления (КУ), коэффициентам эллиптичности (КЭ) и стабильности положения фазового центра (Δφ) приведены в таблице.

Исследованная антенна имеет меньшие габариты по сравнению с антенной прототипом (φ120 ×17 мм по сравнению с φ146 ×25 мм) и лучшую стабильность положения фазового центра (±1 мм по сравнению с ±8 мм).

Предлагаемая антенна выполнена из простых материалов - металлических пластин и диэлектрика (например, типа стеклотекстолита) и не требует проведения настроечных работ. Имея достаточно малые габариты и массу, она может встраиваться в бортовые приемные или передающие системы.

Дополнительным преимуществом предлагаемой антенны является подавление излучения в нижнее полупространство, благодаря чему на характеристики антенны не влияют окружающие ее предметы.