Микрополосковая антенна эллиптической поляризации

 

Использование: в области антенно-фидерных устройств преимущественно в качестве самолетной антенны. Сущность изобретения: антенна содержит узел питания в виде микрополоскового делителя мощности, расположенного на второй диэлектрической пластине, проводящий экран и излучающий элемент, который возбуждается в двух точках на взаимно перпендикулярных осях симметрии со сдвигом 90 град. Питающий коаксиальный фидер проходит через экран и диэлектрическую пластину, при этом его внешний проводник соединен с центром излучающего элемента, а внутренний - с микрополосковой линией делителя мощности. 7 ил.

Изобретение относится к антенно-фидерных устройствам и может быть использовано преимущественно в качестве самолетной антенны. Антенны, размещаемые на летательных аппаратах, должны иметь минимальные массо-габаритные характеристики и быть невыступающими или маловыступающими для сохранения аэродинамических свойств объекта. Кроме этого, для приема радиосигналов, имеющих круговую или произвольно ориентированную линейную поляризацию необходимо иметь приемную антенну также круговой (эллиптической) поляризации.

В наибольшей степени указанным требованиям отвечает микрополосковая антенна (МПА). Типовая МПА [1] представляет собой тонкий металлический квадрат с длиной стороны около длина волны в подстилающем диэлектрике), расположенный на диэлектрической пластине, обратная сторона которой полностью металлизирована. Питание излучателя осуществляется коаксиальным кабелем, внешний проводник которого подсоединен к металлизации обратной стороны диэлектрической пластины, а внутренний проводник проходит через пластину и подсоединен к металлическому квадрату в точке, лежащей на его оси.

При всех своих достоинствах (малые габариты и вес, высокая технологичность, простота согласования с фидером) МПА имеют один существенный недостаток узкополосность. Типовые МПА обеспечивают КСВН≅2 в полосе частот около 1% [2] Наиболее простым способом расширения полосы рабочих частот МПА Δf является уменьшение относительной диэлектрической проницаемости ε пластины, на которую нанесена МПА [2] Однако это приводит, во-первых, к увеличению размеров излучающего элемента (ИЭ), во-вторых к уменьшению ширины диаграммы направленности (ДН) антенны. И то, и другое недопустимо, учитывая приведенные выше требования к габаритам и ДН разрабатываемой антенны. Другим, более приемлемым способом расширения полосы рабочих частоты Df является увеличение толщины диэлектрической пластины d (3, 4, 5). Но здесь возникают сложности другого характера. Разрабатываемая антенна в соответствии с поставленной задачей должна иметь эллиптическую поляризацию во всем диапазоне рабочих частот. Известны МПА эллиптической поляризации, содержащие ИЭ различной формы, имеющие деформации (выступы, вырезы или срезы) [6] а также ИЭ в форме эллипса с отношением осей, близким к единице [7] Возбуждение ИЭ в МПА такого типа осуществляется в одной точке. Такие МПА обеспечивают удовлетворительный коэффициент эллиптичности (КЭ) (меньший 6 дБ) в полосе частот порядка 1,5% [7] Обеспечить минимальный КЭ в широкой полосе частот можно, возбуждая квадратный ИЭ в двух точках, расположенных на взаимно перпендикулярных осях симметрии со сдвигом фаз 90^o. Для реализации такой схемы возбуждения необходимо использовать специальный делитель мощности (ДМ) (из соображений минимальных габаритов желательно в микрополосковом исполнении). Он может быть различным: гибридный мост, делитель с дополнительным отрезком микрополосковой линии длиной λ/4,, резистивный делитель, делитель типа моста Ланге и т.д.

Таким образом из сказанного следует, что ни одна из приведенных антенн не соответствует поставленной задаче.

Наиболее близкой по существенным признакам является МПА, выбранная за прототип [8] В ней микрополосковая плата ДМ расположена на противоположной относительно ИЭ стороне проводящего экрана. Конструкция антенны приведена на фиг. 2. МПА содержит проводящий экран 1, микрополосковую плату ДМ 4, микрополосковые линии которого при помощи 1 зондов 5 соединены с ИЭ 3, расположенным на второй микрополосковой плате 2. Плата ДМ закрыта защитным металлическим кожухом 8.

Принцип работы антенны-прототипа в режиме передачи заключается в следующем: электромагнитная энергия через ДМ поступает в полуоткрытий микрополосковый резонатор, образованный экраном 1 и ИЭ 3, и излучается в пространство через щели, образованные краями ИЭ и экраном. К точкам возбуждения ИЭ электромагнитные колебания подводятся со сдвигом фаз 90^o, который обеспечивается ДМ. Таким образом антенна излучает две линейно поляризованные электромагнитные волны, имеющие сдвиг фаз 90^o и взаимно перпендикулярные в пространстве плоскости поляризации. Результаты интерференции таких волн является, как известно [3] волна эллиптической поляризации. Согласно принципу взаимности [9] антенна при работе в режиме приема имеет те же характеристики (в том числе диапазон рабочих частот, ДН и поляризационные характеристики), что и при работе в режиме передачи.

Однако построение МПА по такой конструктивной схеме приводит к увеличению ее габаритов (толщины) ввиду появления дополнительной платы ДМ. Сама по себе плата ДМ в микрополосковом исполнении имеет небольшую толщину h (порядка 1 2 мм). Но следует учитывать, что при практической реализации МПА такого типа плата ДМ должна быть защищена от внешних воздействий посредством помещения ее в защитный корпус. Как известно [10] крышка защитного корпуса не окажет влияния на параметры несимметричной микрополосковой линии, если она размещается на расстоянии (6 7) h от нее. Таким образом толщина защитного корпуса вместе с размещенной в нем платой ДМ может составить 10 15 мм. На такую же величину соответственно увеличивается и общая толщина МПА.

В процессе разработки стояла задача уменьшить габариты микрополосковой антенны с делителем мощности, обеспечивающим удовлетворительный коэффициент эллиптичности в широком диапазоне частот, установленной на летательном аппарате в обтекателе. Аналоги и прототип по приведенным выше соображениям не обеспечивают требуемый технический результат.

Сущность предполагаемого изобретения заключается в том, что в микрополосковой антенне эллиптической поляризации, содержащей устройство питания антенны в виде делителя мощности в микрополосковом исполнении, размещенном в защитном корпусе, проводящий экран, диэлектрическую пластину и излучающий элемент, возбуждаемый в двух точках на взаимно перпендикулярных осях симметрии со сдвигом фаз 90^o, микрополосковая плата делителя мощности расположена над излучающим элементом, причем питание к ней подводится по коаксиальному фидеру, который проходит через экран и диэлектрическую пластину и подсоединен внешним проводником к центру излучающего элемента, а внутренним проводником к микрополосковой линии делителя мощности; возбуждение электромагнитных колебаний в полуоткрытом резонаторе осуществляется посредством зондов, проходящих через излучающий элемент и диэлектрическую пластину и соединяющих микрополосковые линии делителя мощности с экраном.

Совокупность перечисленных признаков позволяет уменьшить толщину МПА за счет размещения делителя мощности над ИЭ, так как в этом случае роль защитного кожуха для ДМ выполняет радиопрозрачный обтекатель антенны и таким образом наличие в конструкции МПА микрополосковой платы ДМ увеличивает толщину антенны только непосредственно на толщину этой платы, то есть на 1 2 мм.

Принцип работы предлагаемой антенны заключается в следующем. Электромагнитная энергия через коаксиальный фидер поступает на ДМ. Наличие коаксиального фидера, проходящего через диэлектрическую пластину и соединяющего металлический экран с центром ИЭ по своему внешнему проводнику не оказывает влияния на параметры антенны, так как центр ИЭ является точкой нулевого потенциала [3] С ДМ энергия поступает в полуоткрытый микрополосковый резонатор, образованный ИЭ и экраном и излучается из него в пространство. Микрополосковый резонатор возбуждается зондами в двух точках, находящихся на взаимно перпендикулярных осях симметрии ИЭ, со сдвигом фаз 90^o, который обеспечивается ДМ. Результатом интерференции двух ортогональных в пространстве волн, имеющих сдвиг фаз 90^o, является волна круговой (эллиптической) поляризации.

На фиг. 1 конструкция предлагаемой антенны; на фиг. 2 конструкция антенны-прототипа; на фиг. 3 пример конкретного исполнения антенны и ее габаритные размеры; на фиг. 4 зависимость КСВН антенны от частоты (антенна устанавливалась на металлическом экране диаметром 200 мм); на фиг. 5 - диаграмма направленности антенны, установленной на металлическом экране диаметром 600 мм; на фиг. 6 зависимость коэффициента эллиптичности (КЭ) антенны от частоты (антенна устанавливалась на экране диаметром 600 мм); на фиг. 7 фотография антенны.

Предлагаемая антенна содержит металлический экран 1, на котором расположена диэлектрическая пластина 2 с нанесенным на нее излучающим элементом 3. Над ИЭ расположена плата ДМ в микрополосковом исполнении 4 (на чертеже он выполнен в виде резистивного ДМ). При помощи зондов 5, проходящих через плату ДМ, ИЭ и диэлектрическую пластину, он соединен с экраном 1, а при помощи коаксиального фидера 6 соединен с выходным разъемом антенны 7.

Был изготовлен опытный образец антенны, полностью удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к размерам антенны. В качестве примера конкретного выполнения предлагаемой антенны была изготовлена антенна, приведенная на фиг. 3. Фотография опытного образца без радиопрозрачного обтекателя приведена на фиг. 7. Металлический экран 1 выполнен из материала Д-16 толщиной 3 мм. Диэлектрическая пластина 2 с нанесенным на ее верхнюю поверхность ИЭ 3 выполнена из материала ФЛАН-10 толщиной 10 мм. Делитель мощности 4 так же выполнен из материала ФЛАН-10, но толщиной 1 мм. Зонды 5 выполнены из медной проволоки толщиной 1 мм. Одним концом зонды припаяны к микрополосковым линиям ДМ, другим концом к втулкам 9, ввинченным в корпус 1. Коаксиальный фидер 6 был выполнен из медной трубки внутренним диаметром 1,8 мм и проводника из медной проволоки диаметром 0,6 мм, разделенных втулкой из материала ФФ-4. В качестве выходного разъема антенны применен переход СРГ-50-751 ФВ. Сверху антенна защищена радиопрозрачным обтекателем 10, выполненным из стеклотекстолита. Отверстия 11 предназначены для крепления антенны к корпусу объекта.

Таблицы результатов экспериментов приведены в протоколе испытаний.

Таким образом, как это подтверждается результатами экспериментов, была решена поставленная задача и достигнут требуемый технический результат, а именно создана малогабаритная МПА эллиптической поляризации с минимальным КСВН в широкой полосе частот. Так при размерах антенны с радиопрозрачным обтекателем и крепежным фланцем: длина 119 мм, ширина 76 мм, толщина 19 мм - КСВН выхода не более 1,5 в диапазоне частот 1573 1620 МГц. КЭ не более 3,0 в диапазоне частот 1573 1620 МГц. Коэффициент усиления не менее минус 2,5 дБ в секторе зенитных углов ±80^o.

Литература 1. Патент США N 3972049, кл. 343 829.

2. IEE Proceeding, 1980, VIII, Part H, N 4, р. 231 234.

3. Панченко С.А. Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М. Радио и связь, 1986, с. 92, 100 103, 109 110, 128 130, 134.

4. International Symposium on Antennas and Propagation, 1979, 18 22.6, США, Сиэтл, т.1, с. 122 145.

5. Functional dependence of the bond width and gain a rectungeler microship antenna on its structurel parametrs. Pues H. Cepelle A. Inst. Sump. Dig. Ant. and Propag. New York, 1982, p. 77 79.

6. Haneisi M. Nombara T. Josida S. "Electron Left" 1982, 18, N 5, p. 191 193.

7. An experimental study of the circular-polarized elliptical printed circular of antenna. Longs A. Sten L.S. Schanbert D.H. Farrer F.G. IEEE Trans. Antennas and Propagation", 1981, 29, N 1, р. 95 99.

8. Авторское свидетельство СССР N 1496585, кл. Н 01 О 1\38-прототип.

9. Драбкин А.Л. Зузенко В.Л. Киселев А.Г. Антенно-фидерные устройства. М. Советское радио, 1974, с. 108.

10. Ефимов И. Е. Шормина Т.А. Волноводные линии передачи. М. Связь, с. 134 135. 2

Формула изобретения

Микрополосковая антенна эллиптической поляризации, содержащая первую и вторую диэлектрические пластины, проводящий экран, расположенный на одной из поверхностей первой диэлектрической пластины, на другой поверхности которой расположен плоский излучающий элемент, возбуждаемый в двух точках, лежащих на взаимно перпендикулярных осях симметрии со сдвигом фаз 90° посредством двух зондов, установленных перпендикулярно плоскостям диэлектрических пластин и соединенных одними концами с микрополосковыми линиями делителя мощности, расположенного на поверхности второй диэлектрической пластины и соединенного с центральным проводником питающего коаксиального фидера, наружный проводник которого подсоединен к проводящему экрану, отличающаяся тем, что вторая диэлектрическая пластина размещена своей второй поверхностью на плоском излучающем элементе, наружный проводник питающего коаксиального фидера соединен с центром плоского излучающего элемента, а в точках его возбуждения и в диэлектрических пластинах выполнены соосные отверстия, в которые пропущены зонды, соединенные другими концами с проводящим экраном.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7