Широкополосная рупорно-микрополосковая антенна
Владельцы патента RU 2349005:
ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени С.М. Буденного Министерство Обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к антеннам СВЧ-диапазона. В широкополосную рупорно-микрополосковую антенну, содержащую рупор, резонатор и шунт дополнительно введен второй шунт, рупор имеет форму квадратного прямого цилиндра, а пластина резонатора выполнена из хорошо проводящего материала в форме сектора круга, ось симметрии которого перпендикулярна двум противолежащим боковым стенкам рупора и проходит через их оси симметрии. Вершина сектора дополнена симметрично выступающим полосковым элементом, местоположение и размеры которого определяются значением заданной полосы рабочих частот. Вершина сектора круга пластины резонатора соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии надежным электрическим контактом, причем питающая коаксиальная линия подведена к пластине резонатора через боковую стенку перпендикулярно к ней, а внешний проводник линии закреплен на боковой стенке надежным электрическим контактом. Первый и второй шунты из хорошо проводящего материала соединяют углы сектора круга пластины резонатора с соответствующими боковыми стенками рупора и обеспечен надежный механический и электрический контакт. Технический результат-создание широкополосной трехдиапазонной приемопередающей антенны с минимальными габаритами, обеспечивающей эффективный прием и передачу сигналов с макро- и микросотовой структурой. 7 ил.
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, радирмониторинге, в решении задач электромагнитной совместимости.
Известна "Рупорная антенна" (см. Пат. RU №2250542, МПК 7 H01Q 13/02, опубл. 20.04.2005 г., бюл. №11). Она содержит прямоугольный рупор, торец которого закрыт металлической заглушкой, три металлических гребня специальной формы, подключенных между собой. Антенна обеспечивает прием и передачу сигналов в широкой полосе частот с высоким уровнем согласования и линейной фазо-частотной характеристикой. Однако она имеет существенный недостаток, связанный с большими габаритными размерами (длина рупора значительно превышает размеры на раскрыве).
Известна "Дисковая микрополосковая антенна" (см. А.с. СССР №1573487, МПК 5 H01Q 1/38, опубл. 23.06.90 г., бюл. №23). Она содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен металлический экран, а на другой - проводящий диск, в котором выполнена щель, штыревой зонд, коаксиальный фидер и шунт с соответствующими подключениями. Антенна обеспечивает формирование изотропной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и уменьшение габаритов в 2-4 раза по сравнению с известными образцами.
Известна также "Малогабаритная антенна" (см. А.с. СССР №1141482, МПК 5 H01Q 13/10, опубл. 23.02.1985 г., бюл. №7). Она содержит две металлические пластины, размещенные параллельно металлическому экрану, одна из них соединена с экраном с помощью шунта, а вторая - с питающим фидером, и ферритовое кольцо. Антенна обеспечивает повышение стабильности формы диаграммы направленности (ДН) в рабочей полосе частот при уменьшении габаритов и сохранении коэффициента усиления.
В качестве основного недостатка названных аналогов следует отметить их недостаточную широкополосность для работы с ШП сигналами современных систем связи с мобильными абонентами, большие размеры, особенно на частотах в районе 900 МГц (при пересчете размеров последних на этот диапазон частот).
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому устройству является "Ультраширокополосная компактная рупорно-микрополосковая антенна с высокой направленностью" (см. Пат. RU №2289873, МПК 7 H01Q 13/02, опубл. 20.12.2006 г., бюл. №35).
Устройство-прототип содержит усеченный конический рупор, снабженный плоской стенкой на узкой стороне из хорошо проводящего материала и представляющий собой экран-рефлектор, резонатор, образованный экраном-рефлектором и круглой пластиной из хорошо проводящего материала, 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 хорошо проводящего материала 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.
Антенна-прототип обеспечивает прием и передачу сигналов в сравнительно широкой полосе частот (при КСВ=2, fср=4,5 ГГц, ΔF=0,6 ГГц). Кроме того, стало возможным при сохранении коэффициента усиления антенны уменьшить ее габариты (примерно в три раза сократить толщину рупора) и снизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности.
Антенна-прототип также обладает существенным недостатком. Она непригодна для работы со значительным классом ШП-сигналов из-за недостаточной широкополосности.
В настоящее время является актуальной задача создания компактных направленных антенн для приема и передачи сигналов известных стандартов сотовых и транковых систем связи, работающих в достаточно широкой полосе частот: 0,9-3,8 ГГц (см. Ратинский М.В. Основы сотовой связи. / Под ред. Д.В.Зимина. - М.: Радио и связь, 1998). Еще большую сложность представляет разработка компактной направленной сверхширокополосной антенны, обеспечивающей эффективный прием и передачу сигналов одновременно во всей названной полосе частот. Кроме того, имеют место проблемы, связанные с согласованием ШП-антенны с усилителем, компенсирующим потери в питающей коаксиальной линии.
Целью заявляемого изобретения является разработка широкополосной компактной антенны, обеспечивающей эффективный прием и передачу сигналов в сетях связи с макро- и микросотовой структурой.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из рупора, выполненного из хорошо проводящего материала, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатора, образованного экраном-рефлектором и пластиной из хорошо проводящего материала, размещенной соосно и симметрично внутри рупора, при этом плоскость пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору, первого шунта и питающей коаксиальной линии, дополнительно введен второй шунт, рупор имеет форму квадратного прямого цилиндра, а пластина резонатора выполнена в форме сектора круга, ось симметрии которого перпендикулярна двум противолежащим боковым стенкам рупора, вершина сектора круга дополнена симметрично выступающим полосковым элементом, местоположение и размеры которого определяются значением заданной полосы рабочих частот, вершина сектора круга пластины резонатора соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии надежным электрическим контактом, причем питающая коаксиальная линия подведена к пластине резонатора через боковую стенку рупора перпендикулярно к ней, а внешний проводник линии закреплен на боковой стенке надежным электрическим контактом, а первый и второй шунты из хорошо проводящего материала соединяют углы сектора круга пластины резонатора с соответствующими боковыми стенками рупора и обеспечивают надежный механический и электрический контакт.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что вводится второй шунт, изменяется форма рупора и резонатора, а также местоположение первого шунта позволяет достичь цели изобретения: разработать эффективную широкополосную компактную антенну.
Технический результат достигается за счет создания антенны, объединяющей положительные качества двух различных типов антенн: микрополосковой антенны и рупора с добавлением двух шунтов. Излучатель микрополосковой антенны сконструирован в виде сектора круга с добавлением симметрично выступающего полоскового элемента. Комбинация рупора коробчатого типа в виде квадратного прямого цилиндра (см. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. - М.: Энергия, 1966, стр.509-512) и излучателя названной формы в совокупности с двумя шунтами позволяет получить оптимальное распределение электромагнитного поля по апертуре антенны в широкой полосе частот (0,9-3,8 ГГц). Предложенная конструкция антенны позволяет при сохранении коэффициента усиления оставить неизменными (по сравнению с прототипом) относительные габаритные характеристики изделия по толщине. Последние лежат в пределах от 0,17λmax до 0,6λmin, где λmax и λmin - длины волн на нижней и верхней граничных частотах поддиапазона частот соответственно. Кроме того, уменьшены относительные размеры апертуры антенны (для названных частот от 3,5 до 1,1 раз соответственно по сравнению с прототипом). Предлагаемая конструкция антенны позволила существенно увеличить ширину рабочего диапазона частот. При КСВ=3 ширина полосы рабочих частот составила 2,9 ГГц со средней частотой fср=2,35 ГГц (у прототипа 600 МГц на fср=4,5 ГГц), что соответствует выигрышу заявляемой антенны по широкополосности в относительных единицах η=Δf/fср примерно в 10 раз. При КСВ≈2 полоса рабочих частот (от 1,79 ГГц до 3,8 ГГц) равна 2 ГГц, а выигрыш в относительных единицах по шикополосности по сравнению с прототипом составляет η=6,6 раза.
Предлагаемая конструкция антенны обеспечивает формирование однонаправленного излучения с шириной диаграммы направленности 60-80 градусов в зависимости от диапазона частот. Дополнительно в предлагаемой антенне предусмотрена возможность размещения усилителя (в печатном исполнении) непосредственно на плате резонатора 2 для компенсации потерь в питающем коаксиальном кабеле.
Проведенный анализ уровня техники позволяет установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемой антенны отсутствуют и, следовательно, заявляемый объект обладает свойством новизны.
Исследования известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемой антенны, показало, что они не следуют явным образом из уровня техники, из которого не выявлена также известность влияния преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения, на достижение результата, что позволяет считать заявляемый объект соответствующим условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Заявляемая антенна поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 показана полностью собранная антенна в соответствии с заявляемым изобретением;
на фиг.2 иллюстрируется пластина резонатора в масштабе 1:1;
на фиг.3 приведены габаритные размеры заявляемой антенны;
на фиг.4 иллюстрируется внешний вид рупора с точками крепления пластины резонатора;
на фиг.5 приведен график измеренных частотных характеристик заявляемой антенны (зависимость КСВ от используемых частот) в полосе от 800 МГц до 3,8 ГГц;
на фиг.6 показаны измеренные значения входного сопротивления антенны для частот 0,8-3,8 ГГц;
на фиг.7 иллюстрируется плата резонатора 2 со встроенным усилителем.
На фиг.3 представлены оптимальные размеры антенны, которые были получены на опытном макете, настроенном на заявленную полосу частот: 0,9-3,8 ГГц. Площадь раскрыва антенны ДA×ДA составила 135×135 мм. Площадь заземленного экрана - отражателя рупора также составляет 135×135 мм. Пластина резонатора выполнена в виде сектора круга с радиусом 115 мм с добавлением полоскового элемента (см. фиг.2). Высота установки пластины резонатора над землей hP=35 мм, что составляет 0,37 λср. Последняя выбрана экспериментально для обеспечения максимального коэффициента усиления антенны +10 dBi на верхних и средних частотах диапазона. Высота (или толщина) антенны hc с учетом толщины стенки рефлектора 50 мм. Внешний вид рупора с посадочными местами пластины резонатора приведен на фиг.4.
Широкополосная рупорно-микрополосковая антенна (см. фиг.1 и 2) содержит рупор 1, выполненный из хорошо проводящего материала, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатор 2, образованный экраном-рефлектором и пластиной из хорошо проводящего материала, расположенной над металлической поверхностью экрана-рефлектора, укрепленной соосно и симметрично внутри рупора 1, при этом плоскость пластины резонатора 2 параллельна экрану-рефлектору 1, первый шунт 3 и питающую коаксиальную линию 4.
Для обеспечения эффективного приема и передачи сигналов известных стандартов сотовых и транковых систем связи дополнительно введен второй шунт 5. Рупор 1 выполняется в форме квадратного прямого цилиндра. Пластина резонатора 2 в свою очередь выполняется в форме сектора круга. Ось симметрии пластины резонатора 2 перпендикулярна двум противолежащим боковым стенкам рупора 1 и проходит через их оси симметрии. Вершина сектора круга пластины резонатора 2 дополнена симметрично выступающим полосковым элементом, местоположение и размеры которого определяются заданным значением рабочей полосы частот. Вершина сектора круга пластины резонатора 2 соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии 4 надежным электрическим контактом, причем питающая коаксиальная линия 4 подведена к пластине резонатора 2 через боковую стенку рупора 1 перпендикулярно к ней. Внешний проводник линии 4 закреплен на боковой стенке рупора 1 надежным электрическим контактом. Первый шунт 3 и второй шунт 5 из хорошо проводящего материала соединяют углы сектора круга пластины резонатора 2 с соответствующим боковыми стенками рупора 1.
Широкополосная рупорно-микрополосковая антенна работает следующим образом. Заявляемая антенна (см. фиг.1, 2 и 3) состоит из трех основных частей: рупора 1, резонатора 2, представляющего собой щелевую антенну специальной формы и запитанную особым способом - непосредственно через боковую стенку рупора 1 и двух шунтов 3 и 5. В задачу последних входит улучшение степени согласования антенны в рабочем диапазоне и снижение граничных частот (что эквивалентно уменьшению необходимой длины антенны для данной частоты). Подобные шунты эквивалентны индуктивностям в регулярных линиях передачи (см. Кочержевский Г.Н., Еврохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. - М.: Радио и связь, 1989, стр.146-148) вносят при этом некоторое активное сопротивление.
Предлагаемая антенна может рассматриваться как частный случай секторной V-образной щелевой антенны, у которой сектора примыкают друг к другу (см. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. - М.: Энергия, 1966, стр.195-198). Максимум диаграммы направленности такой антенны лежит на биссектрисе угла сектора пластины резонатора 2, а минимумы ДН расположены перпендикулярно к названному направлению.
Необходимые для передачи электрические сигналы поступают на заявляемую антенну по коаксиальному кабелю 4. Возбуждение резонатора 2 начинается на участке коаксиальной линии 4 между точками Д и Е. Необходимость в наконечнике, используемом в устройстве-прототипе, отпала из-за маленькой длины центрального проводника коаксиальной линии 4 на участке Д-Е.
Возбужденная электромагнитная волна между пластиной резонатора 2 и заземленным экраном-рефлектором рупора 1 формирует на апертуре заявляемой антенны сходное с устройством-прототипом распределение электрического и магнитного полей.
Физические процессы в предлагаемом устройстве могут одновременно рассматриваться по аналогии с плоской вибраторной антенной (см. Кочержевский Г.Н., Еврохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. - М.: Радио и связь, 1989, стр.147-148). В этом случае плоский вибратор в форме сектора круга с углом при вершине близким к 90 градусам представляет собой отрезок однородной линии, у которой погонная емкость и волновое сопротивление постоянны по длине, что обеспечивает согласование в диапазоне частот на основе принципа самодополнительности (см. там же). Угол при вершине сектора круга выбирается в зависимости от волнового сопротивления питающего фидера и лежит в пределах от 70 до 100 градусов. В предлагаемой антенне для 50 Ом фидера данный угол подобран экспериментально и составил 80 градусов.
В ряде работ (см. например, Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М. и др. Коротковолновые антенны. / Под. ред. Г.З.Айзенберга - 2-е, перер. и доп. - М.: Радио и связь, 1985, стр.212-224) показано, что наилучшие результаты по согласованию плоских вибраторов над экраном дает установка шунтов в конце плеча. Оптимальное число шунтов определяется их толщиной и формой полоскового вибратора (щелевой антенны). В предлагаемой антенне используется два шунта, количество, толщина и место их установки были подобраны экспериментально. Роль дополнительного согласующего элемента в антенне играет емкостное сопротивление, значение которого определяется зазором между торцом сектора круга пластины резонатора и боковыми стенками рупора между шунтами 3 и 5. С помощью этого зазора осуществляется настройка антенны в нижней части диапазона.
Настройка характеристик антенны в верхней части диапазона частот (свыше 1600 МГц) осуществляется с помощью изменения размеров полоскового элемента А-А' на пластине резонатора 2 (см. фиг.2). Длина полоскового элемента определяет среднее значение частоты регулируемого участка диапазона частот, а ширина (толщина) полоскового элемента - ширину настраиваемой полосы частот. Следует отметить, что увеличивать длину и толщину полоскового элемента для данного его местоположения на пластине резонатора 2 можно лишь в определенных пределах из-за взаимного влияния элементов антенны. Предлагаемый вариант исполнения пластины резонатора 2 получен экспериментально.
На фиг.5 и 6 приведены результаты измеренных частотных характеристик заявляемой антенны (коэффициента стоячей волны) и входного сопротивления в полосе частот 800 МГц - 3,8 ГГц. Последние свидетельствуют о том, что во всей полосе частот от 900 МГц до 3,8 ГГц КСВ не хуже 3, а в полосе 1,79 ГГц - 3,2 ГГц КСВ около 2. Входное сопротивление антенны в основном укладывается в круг равного КБВ 0,5 и имеет многорезонансный характер.
На фиг.7 иллюстрируется пластина резонатора 2 со встроенным усилителем, обеспечивающий во всей заявляемой полосе частот коэффициент усиления не менее 14 dBi. Размещение усилителя на плате 2 стало возможным благодаря наличию на ней шунтов 3 и 5. Здесь использован усилитель типа MGA-81563 фирмы AVAGO Technologies (см. www.avagotech.com).
Предлагаемая антенна может использоваться в составе фазированной антенной решетки для измерения пространственных параметров сигналов в названном диапазоне частот.
Все детали антенны согласно настоящему изобретению имеют простую форму и сделаны из однородного и однотипного токопроводящего материала. Это позволяет реализовать изготовление их в массовом производстве легко и дешево, используя прессовку или пластмассовое литье с последующим токопроводящим покрытием.
Широкополосная рупорно-микрополосковая антенна, состоящая из рупора, выполненного из хорошо проводящего материала, задняя стенка которого представляет собой экран-рефлектор, резонатора, образованного экраном-рефлектором и пластиной из хорошо проводящего материала, размещенной соосно и симметрично внутри рупора, при этом плоскость пластины резонатора параллельна экрану-рефлектору, первого шунта и питающей коаксиальной линии, отличающаяся тем, что дополнительно введен второй шунт, рупор имеет форму квадратного прямого цилиндра, а пластина резонатора выполнена в форме сектора круга, ось симметрии которого перпендикулярна двум противолежащим боковым стенкам рупора и проходит через их оси симметрии, вершина сектора дополнена симметрично выступающим полосковым элементом, местоположение и размеры которого определяются значением заданной полосы рабочих частот, вершина сектора круга пластины резонатора соединена с центральным проводником питающей коаксиальной линии надежным электрическим контактом, причем питающая коаксиальная линия подведена к пластине резонатора через боковую стенку рупора перпендикулярно к ней, а внешний проводник линии закреплен на боковой стенке надежным электрическим контактом, а первый и второй шунты из хорошо проводящего материала соединяют углы сектора круга пластины резонатора с соответствующими боковыми стенками рупора и обеспечен надежный механический и электрический контакт.
