Полосковая антенная решетка

 

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в аппаратуре связи, преимущественно на подвижных объектах в качестве низкопрофильного и широкополосного излучателя. Техническим результатом является расширение рабочей полосы частот до перекрытия 1,6:1 при высоте антенны, не превышающей нескольких сотых длины волны. Сущность изобретения: в полосковую антенную решетку, содержащую N≥3 полосковых излучателей, выполненных в виде пластинчатых элементов с одной кромкой, короткозамкнутой на основание, и запитанных полосковыми проводниками от общего коаксиально-полоскового перехода, введено дополнительное металлическое основание, расположенное между плоскостью пластинчатых элементов и основанием, выполненное в виде N ленточных проводников, частично расположенных в плоскости, параллельной основанию, под полосковыми проводниками и частично под пластинчатыми элементами. Ленточные проводники одним концом короткозамкнуты на основание и другим концом соединены с внешним проводником коаксиальной части коаксиально-полоскового перехода. В результате в полосковых излучателях помимо низшей резонансной моды возбуждаются моды высших типов, что позволяет увеличить рабочую полосу частот. Короткозамыкатели, установленные на боковых кромках пластинчатых элементов или на перемычках, соединяющих боковые кромки, позволяют дополнительно расширить рабочую полосу частот, улучшить согласование и производить настройку по частоте. 6 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в аппаратуре связи, преимущественно на подвижных объектах, в качестве низкопрофильного и широкополосного излучателя ненаправленного в горизонтальной плоскости и с нулем в направлении нормали.

Известна дисковая микрополосковая антенна формирующая ненаправленную диаграмму в горизонтальной плоскости (авт. св. СССР 1573487, кл. H 01 Q 1/38, 1988 г.). Недостатком антенны является ее узкополосность и низкий коэффициент усиления в горизонтальной плоскости.

Известна микрополосковая слабонаправленная антенна с увеличенным коэффициентом усиления в горизонтальной плоскости (авт. св. СССР 1573488, кл. H 01 Q 1/38, 1988 г.). Недостатком антенны является ее узополосность и неравномерность усиления в горизонтальной плоскости.

Известна линейная полосковая антенная решетка одинаковых прямоугольных излучателей, каждый из которых синфазно запитан от общего питающего фидера, в которой боковые кромки соседних прямоугольных излучателей совмещены. ("Конформные микрополосковые антенны и микрополосковые фазированные антенные решетки". Munson R.E. JEEE Trans. AP, 1974 г., 22, 1, 74-78). Если свернуть указанную решетку в плоскости в кольцо, то решетка будет формировать диаграмму направленности с нулем по нормали и ненаправленную в горизонтальной плоскости. Недостатком решетки является ее узкополосность.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является микрополосковая ВЧ автомобильная антенна, состоящая из диска круглой формы, диаметром около половины длины волны, расположенного на расстоянии четверти длины волны над экраном (патент США 4821040 кл. H 01 Q 1/32, авт. Russel N.J. Munson R.E.). Антенна формирует в диапазоне 800-900 мГц ненаправленную диаграмму в горизонтальной плоскости и с нулем по нормали. Недостатком антенны является ее большая высота (например, в связном диапазоне частот 300-350 мГц ее высота равна 20-25 см), т. е. она не является низкопрофильной, и ограниченный диапазон частот, не превышающий 10-15%.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является формирование при помощи низкопрофильной полосковой антенной решетки (высотой не более 0,05 длины волны) в полосе частот с перекрытием до 1,6:1 диаграммы ненаправленной в горизонтальной плоскости и с нулем по нормали к плоскости решетки.

Для этого в полосковой антенной решетке, содержащей N≥3 полосковых излучателей, выполненных в виде металлических пластинчатых элементов, расположенных в одной плоскости на высоте Н над общим металлическим основанием с воздушным или (и) диэлектрическим заполнением между пластинчатыми элементами и основанием, при этом одна кромка длиной L каждого пластинчатого элемента короткозамкнута на основание короткозамыкателем, расположенным в плоскости, перпендикулярной пластинчатому элементу, а в короткозамыкателе и в пластинчатом элементе, в части, примыкающей к короткозамкнутой кромке, выполнены вырезы длиной М<L по короткозамкнутой кромке, запитывающий коаксиально-полосковый переход и N отрезков полосковых проводников шириной d, расположенных в плоскости пластинчатых элементов, причем пластинчатые элементы размещены с зазором между боковыми кромками соседних пластинчатых элементов, расположены рядом с коаксиельно-полосковым переходом и обращены к нему своими короткозамкнутыми кромками, а отрезки полосковых проводников соединяют через вырезы в пластинчатых элементах и короткозамыкателях каждый пластинчатый элемент с коаксиально-полосковым переходом, введено дополнительное металлическое основание, выполненное в виде N ленточных проводников шириной D, равной M≥D>d, расположенных между плоскостью пластинчатых элементов и основанием, причем каждый ленточный проводник частично расположен под полосковым проводником в параллельной плоскости на высоте h<H над основанием и частично под пластинчатым элементом, один конец ленточного проводника гальванически соединен под пластинчатым элементом с основанием, другой конец ленточного проводника соединен с внешним проводником коаксиальной части коаксиально-полоскового перехода, каждый ленточный проводник проходит через вырез в короткозамыкателе и гальванически соединен с короткозамыкателем, в каждом полосковом излучателе пластинчатый элемент, вырез в пластинчатом элементе и участок полоскового проводника между точкой, подключения к пластинчатому элементу, и короткозамкнутой кромкой, выполнены симметричными относительно оси симметрии, проходящей через плоскость пластинчатого элемента, участок ленточного проводника между точкой соединения с основанием и короткозамыкателем, короткозамыкатель и вырез в короткозамыкателе выполнены симметричными относительно плоскости, проходящей через ось симметрии перпендикулярно к плоскости пластинчатого элемента, она состоит из n=2, 3... групп полосковых излучателей по К=2, 3... полосковых излучателя в каждой группе, причем в пределах одной группы размеры полосковых излучателей, ленточных и полосковых проводников одинаковы, пластинчатые элементы находятся на одинаковом удалении от коаксиально-полоскового перехода, а полосковые излучатели одной группы чередуются с полосковыми излучателями других групп, все полосковые излучатели, ленточные и полосковые проводники выполнены идентичными, оси симметрии совмещены в точке подключения внутреннего проводника коаксиальной части коаксиально-полоскового перехода, пластинчатые элементы размещены вокруг коаксиально-полоскового перехода по замкнутой окружности через углы 2π/N на одинаковом удалении от коаксиально-полоскового перехода, ленточные проводники между точкой соединения с основанием и участком под полосковым проводником выполнены наклонными относительно плоскости пластинчатых элементов, а излучающая кромка каждого пластинчатого элемента имеет форму окружности и длину l<2πR/N, где R - расстояние по оси симметрии от коаксиально-полоскового перехода до излучающей кромки, или части правильного Nq угольника, где q=1, 2, 3, ..., на боковых кромках пластинчатых элементов, примыкающих к короткозамкнутой кромке, установлены короткозамыкающие стержни или пластины, гальванически соединяющие боковые кромки с основанием, боковые кромки соседних пластинчатых элементов, примыкающие к короткозамкнутой кромке, соединены между собой металлическими перемычками, частично или полностью заполняющими зазор между боковыми кромками и расположенными в плоскости пластинчатых элементов, на металлических перемычках установлены короткозамыкающие стержни или пластины, гальванически соединяющие перемычки с основанием, на боковых кромках ленточных проводников установлены короткозамыкающие стержни или пластины, гальванически соединяющие ленточные проводники с основанием H<0,05λ_max; 0,3λ_max<2R<0,5λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона.

На фиг.1 представлен вид со стороны излучающей части полосковой антенной решетки, ее сечение и вид в изометрии центральной части для N=4 по п.п.4, 5, 9 формулы. На фиг.2 представлен вид со стороны излучающей части и сечение для N=3 по п.п.7, 8 формулы.

Полосковая антенная решетка содержит N пластинчатых элементов 1 (фиг.1, 2), каждый из которых имеет короткозамкнутую кромку 2, боковые кромки 3, излучающую кромку 4, а также металлическое основание 5, короткозамыкатель 6, вырез 7 в пластинчатом элементе 1, вырез 8 в короткозамыкателе 6, коаксиально-полосковый переход 9, полосковые проводники 10, зазор 11 между боковыми кромками 3, ленточные проводники 12, участок 13 ленточного проводника 12, расположенный под полосковым проводником 10, соединение 14 ленточного проводника 12 с основанием 5, соединение 15 ленточного проводника 12 с внешним проводником коаксиальной части коаксиально-полоскового перехода 9, соединение 16 ленточного проводника 12 с короткозамыкателем 6, ось симметрии 17 полоскового излучателя, точку 18 подключения внутреннего проводника коаксиальной части коаксиально-полоскового перехода 9, участок 19 ленточного проводника 12, наклонный относительно пластинчатого элемента 1, короткозамыкатель 20, установленный на боковой кромке 3.

Полосковая антенная решетка содержит короткозамыкатель 21 (фиг.2), установленный на перемычке 22, соединяющей между собой боковые кромки 3 соседних пластинчатых элементов 1, а также короткозамыкатель 23 на боковой кромке ленточного проводника 12.

Работа полосковой антенной решетки состоит в следующем. В каждом полосковом излучателе, содержащем расположенный над основанием 5 (фиг.1, 2) пластинчатый элемент 1 с короткозамкнутой кромкой 2 и запитывающий полосковый проводник 10, на низшей резонансной моде расстояние от короткозамкнутой кромки 2 до излучающей кромки 4 равно примерно 0,25λ_ε, где λ_ε - длина волны в диэлектрике заполнения. Такой одиночный полосковый излучатель формирует широкоугольную диаграмму направленности с ориентацией максимума по нормали к плоскости излучателя, но весьма узкополосен: полоса рабочих частот при H/λ<0,05 не превышает 1-3%. Если разместить N≥3 таких полосковых излучателей в одной плоскости над общим основанием 5 по замкнутой кривой таким образом, что их короткозамкнутые кромки 2 будут обращены к расположенному в центре коаксиально-полосковому переходу 9 и осуществить их синфазную запитку полосковыми проводниками 10, то полученная кольцевая антенная решетка формирует диаграмму направленности с нулем по нормали (зона противофазного сложения) и ненаправленную в горизонтальной плоскости. Расстояние между диаметрально противоположными излучающими кромками 4 при этом должно быть близким к 0,5λ₁ где λ - длина волны в воздухе. Такая форма диаграммы наиболее удобна для связи с подвижными объектами: в любом направлении по азимуту и в ограниченном секторе углов по углу места. Формируемая диаграмма направленности аналогична диаграмме направленности антенны штыревого типа высотой 5/8-7/8λ₁, но полосковая антенная решетка по сравнению со штыревой антенной имеет на порядок меньшую высоту.

Недостатком подобной полосковой антенной решетки является ее узкополосность, которая дополнительно ухудшается по сравнению с одиночным полосковым излучателем, что не позволяет использовать полосковую антенную решетку, например, при связи с разнесением частот передачи и приема 307 и 343 мГц.

Диапазонные свойства полосковой антенной решетки значительно улучшаются при введении дополнительного металлического основания, выполненного в виде ленточных проводников 12, размещенных на высоте h<H под полосковыми проводниками 10, пластинчатыми элементами 1 и имеющими гальваническое соединение 14 с основанием 5, соединение 16 с короткозамыкателем 6 и соединение 15 с внешним проводником коаксиальной части коаксиально-полоскового перехода 9. В полосковом излучателе помимо низшей резонансной моды формируется дополнительная четная мода, симметричная относительно оси 17 и с более высокой резонансной частотой. Полосковая антенная решетка имеет две резонансных частоты, причем ширина каждого резонанса больше, чем у одиночного полоскового излучателя без дополнительного основания.

При использовании пластинчатых элементов 1 с различными размерами (п.3 формулы) можно изменять взаимное положение резонансов на частотной оси.

Введение короткозамыкателей 20 (фиг.1), установленных на боковых кромках 3, металлических перемычек 22 (фиг. 2) и короткозамыкателей 21 позволяет сформировать дополнительные резонансы, увеличивающие рабочую полосу частот, улучшить согласование и, при неизменных размерах пластинчатых элементов 1, осуществить перестройку по частоте.

При размерах полосковой антенной решетки H/λ_max<0,05λ_max; 0,3λ_max<2R<0,5λ_max, где λ_max - максимальная длина волны, по уровню согласования КСВН≤2,5 реализуется рабочий диапазон частот с перекрытием 1,6:1.

Формула изобретения

1. Полосковая антенная решетка, содержащая N≥3 полосковых излучателей, выполненных в виде металлических пластинчатых элементов, расположенных в одной плоскости на высоте H над общим металлическим основанием с воздушным или (и) диэлектрическим заполнением между пластинчатыми элементами и основанием, при этом одна кромка длиной L каждого пластинчатого элемента короткозамкнута на основание короткозамыкателем, расположенным в плоскости, перпендикулярной пластинчатому элементу, а в короткозамыкателе и в пластинчатом элементе в части, примыкающей к короткозамкнутой кромке, выполнены вырезы длиной М<L по короткозамкнутой кромке, запитывающий коаксиально-полосковый переход и N полосковых проводников шириной d, расположенных в плоскости пластинчатых элементов, причем пластинчатые элементы размещены с зазором между боковыми кромками соседних пластинчатых элементов, расположены рядом с коаксиально-полосковым переходом и обращены к нему своими короткозамкнутыми кромками, а полосковые проводники соединяют через вырезы в пластинчатых элементах и короткозамыкателях каждый пластинчатый элемент с коаксиально-полосковым переходом, отличающаяся тем, что введено дополнительное металлическое основание, выполненное в виде N ленточных проводников шириной D, равной M≥D>d, расположенных между плоскостью пластинчатых элементов и основанием, причем каждый ленточный проводник частично расположен под полосковым проводником в параллельной плоскости на высоте h<H над основанием и частично под пластинчатым элементом, один конец ленточного проводника гальванически соединен под пластинчатым элементом с основанием, другой конец ленточного проводника соединен с внешним проводником коаксиальной части коаксиально-полоскового перехода, каждый ленточный проводник проходит через вырез в короткозамыкателе и гальванически соединен с короткозамыкателем.

2. Полосковая антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что в каждом полосковом излучателе пластинчатый элемент, вырез в пластинчатом элементе и участок полоскового проводника между пластинчатым элементом и короткозамкнутой кромкой выполнены симметричными относительно оси симметрии полоскового излучателя, проходящей через плоскость пластинчатого элемента, участок ленточного проводника между основанием и короткозамыкателем, короткозамыкатель и вырез в короткозамыкателе выполнены симметричными относительно плоскости, проходящей через ось симметрии полоскового элемента перпендикулярно плоскости пластинчатого элемента.

3. Полосковая антенная решетка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что все полосковые излучатели, ленточные и полосковые проводники выполнены идентичными, оси симметрии полосковых излучателей совмещены в точке подключения внутреннего проводника коаксиальной части коаксиально-полоскового перехода, пластинчатые элементы размещены вокруг коаксиально-полоскового перехода по замкнутой окружности через углы 2π/N на одинаковом удалении от коаксиально-полоскового перехода, ленточные проводники между основанием и участком под полосковым проводником выполнены наклонными относительно плоскости пластинчатых элементов, а излучающая кромка каждого пластинчатого элемента имеет форму дуги окружности и длину l<2πR/N, где R - расстояние по оси симметрии полоскового излучателя от коаксиально-полоскового перехода до излучающей кромки.

4. Полосковая антенная решетка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что на боковых кромках пластинчатых элементов установлены короткозамыкающие стержни или пластины, гальванически соединяющие боковые кромки с основанием.

5. Полосковая антенная решетка по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что боковые кромки соседних пластинчатых элементов соединены между собой металлическими перемычками, расположенными в плоскости пластинчатых элементов.

6. Полосковая антенная решетка по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что на боковых кромках ленточных проводников установлены короткозамыкающие стержни или пластины, гальванически соединяющие ленточные проводники с основанием.

7. Полосковая антенная решетка по п. 3, отличающаяся тем, что максимальная длина волны рабочего диапазона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2