Широкополосная микрополосковая антенная система с пониженной чувствительностью к многолучевому приему

Изобретение относится к широкополосным микрополосковым антенным системам с пониженной чувствительностью к многолучевому приему. Технический результат - получение широкополосной микрополосковой антенной системы небольшого размера с широкой полосой пропускания и низкой чувствительностью к многолучевому приему. Широкополосная микрополосковая антенная система 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 полости, имеет вторую высоту от первой поверхности, причем вторая высота больше нуля и не больше чем 0,05λ, где λ - длина волны в свободном пространстве для широкополосной микрополосковой антенной системы, и имеет третью высоту от второй поверхности, и отделен от плоскости заземления воздухом; и проводник, соединенный с излучающим элементом и выполненный с возможностью ввода электромагнитных сигналов в излучающий элемент. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 18 ил.

 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение, в целом, относится к антеннам и, более конкретно, к широкополосным микрополосковым (микропатч) антенным системам с пониженной чувствительностью к многолучевому приему.

Микрополосковые антенны (MPA) широко распространены в приемниках глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS). По сравнению с другими конструкциями антенн они малогабаритны, имеют малый вес и могут изготавливаться в больших количествах при малых затратах. Основными элементами традиционной MPA являются плоский излучающий элемент (полосок) и плоская экранирующая плоскость, разделенные диэлектрической средой. Резонансный размер MPA является функцией длины волны излучения, распространяющейся в диэлектрической среде между излучающим элементом и экранирующей плоскостью. Резонансный размер приблизительно равен половине длины волны. Резонансный размер может быть уменьшен, увеличивая диэлектрическую постоянную диэлектрической среды или вводя волновые замедляющие структуры. Уменьшение резонансного размера также приводит к более широкой диаграмме направленности антенны, которая предпочтительна для некоторых применений.

Размер MPA также определяется другими конструктивными соображениями. В традиционных MPA размер экранирующей плоскости обычно больше или равен λ, где λ - длина волны интересующего излучения в свободном пространстве. Большая экранирующая плоскость используется для уменьшения сигналов, отраженных от почвы под антенной. Дополнительно, в MPA ширина полосы увеличивается с высотой излучающего элемента над экранирующей плоскостью. Чтобы достигнуть ширины полосы 12% или больше, высота равна ~(0,10-0,15)λ. Здесь ширина полосы указывается как процент от центральной частоты, соответствующей λ. В дополнение к увеличению общего размера антенны требуемая заданная высота, однако, также приводит к увеличенной диаграмме направленности излучения в обратной полусфере и более высокой чувствительности к многолучевому приему. Высокая чувствительность к многолучевому приему становится существенной, когда длина экранирующей плоскости имеет порядок 1-1,5 длины волны.

На фиг.1 показана микрополосковая антенна, соответствующая предшествующему уровню развития техники, для снижения чувствительности к многолучевому приему. Микрополосковая антенна является микрополосковой антенной, сформированной на диэлектрической подложке 110. Поверх диэлектрической подложки 110 находятся полосковые антенные элементы 104. Под диэлектрической подложкой 110 находится экранирующая плоскость 102, содержащая краевые экранирующие элементы 108. Точка 106 подключения коаксиального фидера присоединяется к полосковым антенным элементам 104. Короткозамыкатель (не показан) соединяет полосковые антенные элементы 104 с экранирующей плоскостью 102.

Краевые экранирующие элементы 108 формируют вертикальный ободок около края диэлектрической подложки 110 и выступают над верхней поверхностью диэлектрической подложки 110. В одном варианте осуществления части краевых экранирующих элементов 108 содержат соединение через отверстия, расположенные около края диэлектрической подложки 110. Интервал между отверстиями имеет определенное значение, гораздо меньшее, чем длина волны. Предположительно, конструкция краевых экранирующих элементов 108 создает существенную фильтрацию многолучевого излучения, распространяющегося ниже горизонта. Эта конструкция микрополосковой антенны, соответствующая предшествующему уровню техники, страдает, однако, серьезным недостатком: снижение чувствительности к многолучевому отражению неэффективно в случае широкополосного излучателя с длинами экранирующей плоскости порядка 1-1,5 длины волны. Большая ширина полосы достигается, увеличивая высоту полосковых элементов 104 антенны над экранирующей плоскостью 102, что в результате приводит к повышенной чувствительности к многолучевому отражению.

Задача состоит в получении широкополосной микрополосковой антенной системы небольшого размера с широкой полосой пропускания и низкой чувствительностью к многолучевому приему.

КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В варианте осуществления настоящего изобретения широкополосная микрополосковая антенная система имеет экранирующую плоскость, содержащую первую поверхность и полость. Полость содержит вторую поверхность и поверхность боковой стенки. Излучающий элемент располагается в поперечном направлении внутри полости и имеет высоту над первой поверхностью и высоту над второй поверхностью. Большая ширина полосы и низкая чувствительность к многолучевому излучению одновременно могут быть достигнуты, изменяя высоту над первой поверхностью и высоту над второй поверхностью. В предпочтительном варианте осуществления высота над второй поверхностью составляет не более 0,05λ, где λ - длина волны в свободном пространстве. В другом варианте осуществления изобретения двухдиапазонная микрополосковая антенная система с одновременно большой шириной полосы и низкой чувствительностью к многолучевому излучению достигается наложением второго излучающего элемента поверх первого излучающего элемента.

Эти и другие преимущества изобретения будут очевидны для специалистов в данной области техники при обращении к последующему подробному описанию и сопроводительным чертежам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - конструкция микрополосковой антенны, соответствующая предшествующему уровню техники;

Фиг.2 - схематичное изображение микрополосковой антенны;

Фиг.3 - схематичное изображение двухдиапазонной микрополосковой антенны;

Фиг.4 - опорная прямоугольная система координат для отношения излучения вниз/вверх;

Фиг.5A и фиг.5B - схематичное изображение математической модели микрополосковой антенны

Фиг.6 - графики диаграммы направленности как функции угла;

Фиг.7 - графики отношения излучения вниз/вверх как функции угла;

Фиг.8 - графики отношения излучения вниз/вверх D/U(90) как функции длины экранирующей плоскости;

Фиг.9 - графики сравнения диаграммы направленности как функции угла для плоской экранирующей плоскости относительно экранирующей плоскости с полостью;

Фиг.10 - графики сравнения отношения излучения вниз/вверх как функции угла для плоской экранирующей плоскости относительно экранирующей плоскости с полостью;

Фиг.11A - опорная прямоугольная система координат для широкополосных микрополосковых антенных систем;

Фиг.11B-11E - схематичное изображение широкополосных микрополосковых антенных систем, соответствующих вариантам осуществления изобретения;

Фиг.12 - схематичное изображение двухдиапазонной микрополосковой антенной системы, соответствующей варианту осуществления изобретения; и

Фиг.13 - схематичное изображение двухдиапазонной микрополосковой антенной системы с волновыми замедляющими структурами в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

На фиг.2 представлен вид в поперечном разрезе обычной микрополосковой антенны. Плоский излучающий элемент (полосок) 202 отделен от плоской экранирующей плоскости 204 диэлектрической средой 212. Диэлектрическая среда 212 может быть, например, воздушным зазором или твердой диэлектрической подложкой. Если диэлектрической средой 212 является воздушный зазор, излучающий элемент 202 и экранирующая плоскость 204 могут скрепляться вместе штифтами, такими как керамические столбики (не показаны). Длина экранирующей плоскости 204 равна L. Высота излучающего элемента 202 над экранирующей плоскостью 204 равна H. Если диэлектрической средой 212 является воздух, высота H эквивалентна ширине воздушного зазора между излучающим элементом 202 и экранирующей плоскостью 204. Если диэлектрической средой 212 является твердая диэлектрическая подложка, высота H эквивалентна толщине твердой диэлектрической подложки.

Сигналы передаются к микрополосковой антенне и от нее через радиочастотную (RF) линию передачи. В примере, показанном на фиг.2, сигналы подаются к излучающему элементу 202 через коаксиальный кабель. Внешний проводник 206 электрически связан с экранирующей плоскостью 204, а центральный проводник 208 электрически связан с излучающим элементом 202. Электромагнитные сигналы подаются к излучающему элементу 202 через центральный проводник 208. Электрические токи индуцируются как на излучающем элементе 202, так и на экранирующей плоскости 204.

Резонансный размер микрополосковой антенны определяется длиной волны излучения, распространяющегося в диэлектрической среде 212 между излучающим элементом 202 и экранирующей плоскостью 204. Резонансный размер приблизительно равен половине длины волны в диэлектрической среде 212. Чтобы уменьшить длину волны в диэлектрической среде 212, диэлектрическая постоянная диэлектрической среды 212 может быть увеличена или между излучающим элементом 202 и экранирующей плоскостью 204 могут быть введены волновые замедляющие структуры. С помощью этих средств диаграмма направленности антенны может быть расширена и резонансный размер может быть уменьшен.

На фиг.3 представлен вид в поперечном разрезе двухдиапазонной ярусной микрополосковой антенны, работающей в двух полосах частот. Конфигурация для нижней полосы подобна показанной на фиг.2. Излучающий элемент 302 отделяется от экранирующей плоскости 304 диэлектрической средой 312, которая может быть, например, воздухом или твердым диэлектриком. Сигналы передаются к микрополосковой антенне и принимаются от нее через радиочастотную линию передачи. В примере, показанном на фиг.3, сигналы подаются к излучающему элементу 302 через коаксиальный кабель. Внешний проводник 306 электрически соединяется с экранирующей плоскостью 304, а центральный проводник 308 электрически соединяется с излучающим элементом 302.

Для верхней полосы частот излучающий элемент 322 отделяется от излучающего элемента 302 диэлектрической средой 332, которой может быть, например, воздух или твердый диэлектрик. Излучающий элемент 322 питается проводящим элементом 328 связи, электрически соединенным с излучающим элементом 302, который служит экранирующей плоскостью для излучающего элемента 322. Как обсуждалось выше, излучающий элемент 302 и экранирующая плоскость 304 могут быть скреплены штифтами (такими, как керамические столбики); точно также излучающий элемент 322 и излучающий элемент 302 могут быть скреплены штифтами. Как показано на фиг.3, длина экранирующей плоскости 304 равна L; высота излучающего элемента 302 над экранирующей плоскостью 304 равна H1; высота излучающего элемента 322 над излучающим элементом 302 равна H2; и общая высота излучающего элемента 322 над экранирующей плоскостью 304 равна H=Н1+H2.

На фиг.4 показана геометрическая ориентация однополосной микрополосковой антенны относительно прямоугольной системы координат, определяемой осью 401 x, осью 403 y и осью 405 z. Направление +y указывает в плоскость чертежа. На открытом воздухе направление +z (вверх) (зенит) указывает на небо и направление -z (вниз) указывает в направлении Земли. Здесь, термин "Земля" содержит как сушу, так и водную окружающую среду. Чтобы избежать путаницы с "электрической" землей (используемой для ссылки на экранирующую плоскость), понятие "географической" земли (используемое для ссылки на сушу) здесь не используется. На фиг.4 микрополосковая антенна 402 содержит излучающий элемент 404 и экранирующую плоскость 406. В этом примере экранирующая плоскость 406 больше, чем излучающий элемент 404. Для упрощения чертежа другие компоненты, такие как коаксиальный кабельный фидер, диэлектрическая среда и штифты, не показаны.

На фиг.4 электромагнитные волны представлены как лучи, падающие на микрополосковую антенну 402 под углом θ падения относительно оси 401 x. Горизонт соответствует θ = 0 градусов; зенит соответствует θ = 90 градусов. Лучи, падающие с открытого неба, такие как луч 431, имеют положительные значения угла падения. Лучи, отраженные от земли, такие как луч 441, имеют отрицательные значения угла падения. Здесь область пространства с положительными значениями угла падения упоминается как область прямого сигнала и также упоминается как передняя полусфера. Здесь область пространства с отрицательными значениями угла падения упоминается как область многолучевого сигнала и также упоминается как задняя полусфера.

Чтобы численно описать способность антенны подавлять отраженный сигнал, обычно используется следующее соотношение: Параметр D/U(θ) (отношение излучения вниз/вверх) равно отношению уровня F(-θ) диаграммы направленности антенны в задней полусфере к уровню F(θ) диаграммы направленности антенны в передней полусфере под зеркальным углом, где F представляет уровень напряжения.

Возвращаясь к фиг.2, ширина полосы однополосной микрополосковой антенны является функцией высоты H излучающего элемента 202 над экранирующей плоскостью 204. Ширина полосы увеличивается с увеличением H. Для ширины полосы порядка 12% высота H приблизительно составляет (0,10-0,15)λ. Здесь, ширина полосы указывается как процент от центральной частоты, соответствующей λ, где λ - длина волны излучения антенны в свободном пространстве. Чтобы упростить используемую здесь терминологию, длина волны излучения антенны в свободном пространстве упоминается как длина волны антенны в свободном пространстве, а также упоминается как длина волны антенной системы в свободном пространстве (если антенна рассматривается как часть антенной системы). Однако по мере увеличения высоты H микрополосковая антенна становится более чувствительной к многолучевому приему. Если длина L экранирующей плоскости 204 находится в диапазоне (1,0-1,5)λ, то высота H, большая, чем пороговое значение H' (H'≈0,05)λ, вызывает нежелательное увеличение диаграммы направленности в задней полусфере, а также ухудшается диаграмма в передней полусфере. Отношение D/U(θ=90°) ухудшается по мере того, как L приближается к 1,5+λ, и по мере того, как уменьшается пороговое значение H'. Для применений в GPS важно обеспечить желаемое отношение излучения вниз/вверх, характерное для углов, близких к θ=90°. Для уменьшения эффектов многолучевого приема используется плоская экранирующая плоскость большого размера L. Увеличение высоты H излучающих элементов над экранирующей плоскостью часто необходимо, чтобы расширить ширину полосы антенны, а также сформировать многочастотные ярусные структуры. Подобные геометрические соображения применяются к двухдиапазонной микрополосковой антенне, показанной на фиг.3.

Частотные характеристики направленности микрополосковой антенны могут быть проанализированы в соответствии со следующей математической моделью. В первом приближении резонансный размер излучающего элемента достаточно мал, так что область излучения может рассматриваться как создаваемая щелями, сформированными краями излучающего элемента и экранирующей плоскостью. Это приближение справедливо, например, для широконаправленных антенн с диэлектрической подложкой, имеющей высокую диэлектрическую постоянную, или с диэлектрической подложкой, изготовленной из искусственных диэлектрических структур с высоким коэффициентом замедления. Волновые замедляющие структуры могут также использоваться, когда диэлектрической средой является воздух (смотрите дальнейшее обсуждение ниже).

На фиг.5A опорная прямоугольная система координат определяется осью 501 х, осью 503 y и осью 505 z. Направление +y указывает в плоскость чертежа. Угол θ измеряется от оси 501 x. В двумерном приближении диаграмма направленности антенны может быть оценена моделью в форме нитевидного магнитного тока 504, расположенного на высоте H над экранирующей плоскостью 502 с длиной L, через которую протекает электрический ток 506. Вектор направлен вдоль оси 503 y, и вектор направлен вдоль оси 501 х.

Из анализа, основанного на физической оптике, электрическое поле системы может быть выражено следующим образом:

где

- электрическое поле под углом θ;

- электрическое поле нитевидного магнитного тока в свободном пространстве;

- электрическое поле электрического тока , описывающее влияние экранирующей плоскости; и

- электрическое поле нитевидного электрического источника в точке x.

Ток предполагается равным току, наведенному источником в бесконечной экранирующей плоскости:

где

- функция Ганкеля второго порядка второго рода;

W=120π - волновое сопротивление свободного пространства;

U - напряжение в щели, описываемое нитевидным магнитным током;

- волновое число;

x - координата точки наблюдения; и

- единичный вектор вдоль оси х:

Диаграмма направленности антенны для этой системы затем выражается следующим образом:

Для эффективного излучения в направлении вверх (+z) (смотрите фиг.5B) электрические поля, сформированные источниками и каждым токовым элементом , должны складываться совпадающими по фазе. 507 и 509 указывают локальные нормально расположенные (вверх) вектора в точках x=0, z=H и x=x, z=0 соответственно. Для фаза наведенного электрического тока изменяется как (Здесь было использовано асимптотическое поведение функции Ганкеля .) Тогда сдвиг фаз между полем j _m и полем токового элемента j _e (x), расстояние которого от начала координат составляет , может аппроксимироваться как:

Из (E4) очевидно, что по мере увеличения высоты H сдвиг фаз между полем магнитного тока и полем элементов электрического тока увеличивается. Поэтому результирующая сумма не оптимальна, и отношение D/U ухудшается (увеличивается) при θ=90°.

По мере того как х изменяется от до , из (E4) следует, что начиная с некоторой определенной длины L будут существовать определенные значения тока , которые могут создавать электрическое поле, противоположное электрическому полю, создаваемому посредством . При этих значениях диаграмма направленности антенны в передней полусфере ослабляется и будет происходить дальнейшее ухудшение отношения излучения вниз/вверх. При малой H эти значения возникают начиная с , и по мере увеличения высоты H диаметрально противоположные токовые области возникают на меньшей длине экранирующей плоскости.

На фиг.6 представлены диаграммы направленности для L/λ=1,2. Показаны графики диаграммы направленности [в дБ (по мощности)] как функция угла θ для значений H/λ в пределах от 0 до 0,2. Минимум диаграммы направленности имеет место при θ=90^о в передней полусфере. На фиг.7 показаны соответствующие графики для отношения излучения вниз/вверх. Отношение D/U увеличивается по мере приближения угла θ к 90°. На фиг.8 показаны графики отношения D/U(90) (θ=90°) как функция длины экранирующей плоскости L для различных высот H. Значения L и H нормализованы к единицам λ. Приемлемое значение отношения D/U(90) зависит от применения и является значением, указываемым пользователем. При некоторых применениях, таких как GPS, желательно сохранять отношение D/U(90) не менее -15 дБ. Для этих приложений, как видно из графиков, H должна быть не больше 0,05λ.

На фиг.11A показана опорная прямоугольная система координат, используемая на приведенных ниже чертежах широкополосных микрополосковых антенных систем, соответствующих вариантам осуществления изобретения. Опорная прямоугольная система координат, показанная в перспективе, определяется осью 1101 x, осью 1103 y и осью 1105 z. На фиг.11B-11E, 12 и 13, показанных ниже, "вид А" является видом вдоль направления +y и "вид B" является видом вдоль направления -z.

На фиг.11B показана (вид A) широкополосная микрополосковая антенная система, соответствующая варианту осуществления изобретения, которая снижает чувствительность к многолучевому приему. Широкополосная микрополосковая антенная система содержит антенный блок 1112, имеющий полость 1108. Здесь антенный блок также упоминается как корпус. По сравнению с обычной микрополосковой антенной, показанной на фиг.2, экранирующая плоскость 1104 больше не плоская: она имеет верхнюю поверхность 1104-T, поверхность 1104-S боковой стенки и нижнюю поверхность 1104-B. Полость 1108 обращена к пространству, ограниченному поверхностью 1104-S боковой стенки и нижней поверхностью 1104-B. Заметим, что поверхность 1104-S боковой стенки не обязательно перпендикулярна. Наклон зависит от применения и определяется пользователем. Здесь поверхность боковой стены также упоминается как стенка полости. Здесь нижняя поверхность 1104-B также упоминается как днище полости. Высота (также называемая глубиной) полости 1108 равна h.

Излучающий элемент 1102A с длиной l_p располагается в поперечном направлении (смотрите обсуждение, приведенное ниже) внутри полости 1108. Высота излучающего элемента 1102A над нижней поверхностью 1104-B равна H. Высота излучающего элемента 1102A над верхней поверхностью 1104-T равна H₁. В варианте осуществления изобретения высота H₁ не превышает 0,05λ. Для этой конструкции частотные характеристики обычно определяются высотой H. Диаграмма направленности антенны определяется высотой H₁ и длиной L экранирующей плоскости.

На фиг.11C представлен вид B одной широкополосной микрополосковой антенной системы, соответствующей виду А, показанному на фиг.11B. Верхняя поверхность обозначена как 1104-T-1; поверхность боковой стены обозначена как 1104-S-1; и нижняя поверхность обозначена 1104-В-1. На фиг.11C максимальная поверхность 1104-T-1 экранирующей плоскости 1104 имеет прямоугольную форму с длиной L. В целом, верхняя поверхность 1104-T-1 может иметь двумерную форму, которая определяется пользователем для конкретного применения. Например, форма может быть квадратной, прямоугольной, многоугольной, круговой или эллиптической. В целом, длина L представляет значение, характеризующее поперечный размер верхней поверхности 1104-T-1. Расположения и размеры в поперечном направлении указываются относительно плоскости x-y.

На фиг.11C нижняя поверхность 1104-B-1 имеет прямоугольную форму с длиной D. Обычно нижняя поверхность 1104-B-1 может иметь двумерную форму, которая определяется пользователем для конкретного применения. Например, форма может быть квадратной, прямоугольной, многоугольной, круговой или эллиптической. В целом, длина D представляет значение, характеризующее поперечный размер верхней поверхности 1104-B-1.

На фиг.11C излучающий элемент 1102A-1 имеет прямоугольную форму с длиной l_p. Обычно излучающий элемент 1102А-1 может иметь двумерную форму, которая определяется пользователем для конкретного применения. Например, форма может быть квадратной, прямоугольной, многоугольной, круговой или эллиптической. Обычно длина l_p представляет значение, характеризующее поперечный размер излучающего элемента 1104А-1. Поперечное расположение между излучающим элементом 1102A-1 и поверхностью 1104-S-1 боковой стенки определяется пользователем для конкретного применения.

На фиг.11D представлен вид B второй широкополосной микрополосковой антенной системы, соответствующий виду А на фиг.11B. Верхняя поверхность обозначена как 1104-T-2; поверхность боковой стены обозначена как 1104-S-2; нижняя поверхность обозначена 1104-В2. Верхняя поверхность 1104-T-2 имеет прямоугольную форму с длиной L в поперечном направлении. Нижняя поверхность 1104-B-2 имеет круговую форму с размером (диаметром) D в поперечном направлении. Излучающий элемент 1102A-2 имеет круговую форму с размером (диаметром) l_p в поперечном направлении. Поперечное расположение между излучающим элементом 1102A-2 и поверхностью 1104-S-2 боковой стены определяется пользователем для конкретного применения.

В соответствии с фиг.11B во время работы электромагнитные сигналы подводятся к излучающему элементу 1102A через центральный проводник 1106 коаксиального кабеля и вызывают наведенные электрические токи как на излучающем элементе 1102A, так и на экранирующей плоскости 1104. В диэлектрической среде индуцируются поляризационные токи. Излучающий элемент, экранирующая плоскость и диэлектрическая среда все вместе излучают электромагнитные волны в свободном пространстве. Антенное устройство поддерживает низкую высоту H₁ излучающего элемента 1102A над верхней поверхностью 1104-T экранирующей плоскости 1104, чтобы снижать чувствительность к многолучевому приему. В то же самое время высота H излучающего элемента 1102A над нижней поверхностью 1104-B экранирующей плоскости 1104 является достаточно большой, чтобы обеспечивать требуемую ширину полосы. Измерения показали, что когда H₁ равна приблизительно 0,05λ, излучение в обратной полусфере снижается и одновременно реализуется большая ширина полосы.

Полость 1108 может быть заполнена диэлектрической средой, такой как воздух или твердый диэлектрик. Аналогично все пространство между нижней поверхностью 1104-B и излучающим элементом 1102A может быть заполнено диэлектрической средой. Волновые замедляющие структуры (смотрите ниже дальнейшее обсуждение) могут быть также введены на нижнюю поверхность 1104-B, на излучающий элемент 1102A или как на нижнюю поверхность 1104-B, так и на излучающий элемент 1102A вместе.

Измерения также показали, что на частотные характеристики антенны также влияет диаметр D полости 1108. Как обсуждается выше, в целом, D относится к поперечному размеру полости 1108, а не обязательно к диаметру круга. Диаметр D выбирается так, чтобы балансировать требования стабильной ширины полосы и оптимального отношения излучения вниз/вверх. В варианте осуществления изобретения диаметр D определяется алгоритмом:

где l_p - длина излучающего элемента 1102A, C - определяемое пользователем значение в пределах приблизительно от 0,1 до 0,2. Здесь , где ε_eff - эффективная диэлектрическая постоянная диэлектрической среды. Как правило, l_p≤0,5λ. Заметим, что эффективная диэлектрическая постоянная учитывает электромагнитные характеристики любых волновых замедляющих структур, которые могут присутствовать.

На фиг.11E показан вариант осуществления изобретения, в котором излучающий элемент 1102B является горизонтальным с верхний поверхностью 1104-T экранирующей плоскости 1104; то есть, H=h и H₁=0. В других вариантах осуществления изобретения излучающий элемент 1102B может находиться ниже верхней поверхности 1104-T. В таких случаях высота H₁ может рассматриваться как отрицательное значение. Как показано на фиг.11B и фиг.11E, приемник 1114 может быть легко интегрирован в антенный блок 1112, обеспечивая, тем самым, малым общий размер. Приемник 1114 является, например, приемником глобальной системы спутниковой навигации (GNSS), таким как приемник GPS, GLONASS или Galileo.

Широкополосные микрополосковые антенные системы, показанные на фиг.11B и фиг.11E, пригодны для излучения с линейной поляризацией. Другие варианты осуществления изобретения могут быть выполнены с возможностью излучения с круговой поляризацией. На фиг.11B и фиг.11E излучающий элемент 1102A и излучающий элемент 1102B соответственно возбуждаются единым центральным проводником 1106. Для излучения с круговой поляризацией излучающие элементы могут запитываться двумя центральными проводниками, которые возбуждают два линейно поляризованных поля, ортогонально ориентированных в пространстве.

Другие варианты осуществления изобретения могут быть выполнены с возможностью создания двухдиапазонной ярусной антенной системы. В варианте осуществления, показанном на фиг.12, базовая конфигурация подобна конфигурации однодиапазонной антенной системы, показанной на фиг.11B. Соответствующие компоненты имеют те же самые ссылочные номера. Излучающий элемент 1102B, питаемый проводящим зондом 1106, является излучающим элементом для нижней полосы частот. Излучающий элемент 1202, питаемый проводящим зондом 1206, является излучающим элементом для верхней полосы частот. Пространство между нижней поверхностью 1104-B и излучающим элементом 1102B может быть заполнено диэлектрической средой, такой как воздух или твердый диэлектрик. Точно также, пространство между излучающим элементом 1102B и излучающим элементом 1202 может быть заполнено диэлектрической средой. Проводящий зонд 1206 электрически связан с излучающим элементом 1102B, который также служит экранирующей плоскостью для излучающего элемента 1202.

Чтобы одновременно достигнуть работы в широкой полосе частот и оптимального отношения для излучения вниз/вверх в обоих диапазонах частот, излучающий элемент 1102B и излучающий элемент 1202 расположены внутри полости 1108 в поперечном направлении. В этом варианте осуществления излучающий элемент 1102B является горизонтальным с верхней поверхностью 1104-T экранирующей плоскости 1104 (подобно конфигурации на фиг.11E). В других вариантах осуществления излучающий элемент 1102B поднят над верхней поверхностью 1104-T экранирующей плоскости 1104 (подобно конфигурации на фиг.11B). Высота излучающего элемента 1202 над верхней поверхностью 1104-T экранирующей плоскости 1104 равна H₂, где H₂≈0,05λ. Как обсуждалось выше, излучающий элемент 1102B и излучающий элемент 1202 могут также находиться ниже верхней поверхности 1104-T экранирующей плоскости 1104. Габаритные размеры ярусной антенной системы компактны. Один из вариантов осуществления имеет размеры H₂=12 мм, h=22 мм, D=105 мм, и L=280 мм.

Другой вариант осуществления двухдиапазонной антенной системы показан на фиг.13. Конфигурация подобна той, которая показана на фиг.12, за исключением того, что добавлены волновые замедляющие структуры. Волновые замедляющие структуры могут быть выполнены на нижней поверхности 1104-B, на излучающем элементе 1102B и на излучающем элементе 1202, индивидуально или в любой их комбинации. Волновые замедляющие структуры могут содержать, например, матрицу из штырей или ребер на поверхностях нижней поверхности 1104-B, излучающего элемента 1102B и излучающего элемента 1202, как описано в публикации патентной заявки США № 2007/0205945 и европейском описании изобретения к патенту EP 1684381, которые содержатся здесь посредством ссылки. Волновые замедляющие структуры могут также содержать вытянутые непрерывные структуры или ряд локализованных структур вдоль периметров нижней поверхности 1104-B, излучающего элемента 1102B и излучающего элемента 1202, как описано в патентной заявке США № 12/275761, которая содержится здесь посредством ссылки.

В примере, показанном на фиг.13, волновые замедляющие структуры 1302 выполнены на нижней поверхности 1104-В; волновые замедляющие структуры 1304 выполнены вдоль периметра излучающего элемента 1102B и выступают вниз в направлении нижней поверхности 1104-B; волновые замедляющие структуры 1308 выполнены вдоль периметра излучающего элемента 1102B и выступают в направлении излучающего элемента 1202. В примере, показанном на фиг.13, нет никаких волновых замедляющих структур, выполненных на излучающем элементе 1202 или вдоль периметра излучающего элемента 1202, но в других конструкциях они могут быть.

Длина L обычно составляет 1-1,5λ, где λ - длина волны в свободном пространстве излучения, испускаемого излучателем 1202 (верхняя полоса частот). Здесь длина волны в свободном пространстве излучения, испускаемого излучателем 1202, также упоминается как длина волны в свободном пространстве верхней полосы частот. Для таких применений, как GPS, высота H₂ излучающего элемента 1202 над верхней поверхностью 1104-T экранирующей плоскости 1104 составляет не более 0,05λ. Высота H₁ излучающего элемента 1102B над верхней поверхностью 1104-T экранирующей плоскости 1104 выбирается так, чтобы обеспечивать соответствующую нижнюю полосу частот. В примере на фиг.13 H₁ = 0 и не показана. Диаметр D может быть выбран согласно приведенному выше уравнению (E5). Для двухдиапазонной антенны l_p в (E5) относится к длине излучающего элемента 1202. В одном варианте осуществления нижняя полоса частот составляет 1160-1300 МГц, а верхняя полоса частот составляет 1525-1610 МГц. Соответствующие размеры: H₂=12 мм, h=22 мм, D=105 мм, L=280 мм, l₁=71 мм, l₂=54 мм, где l₁ - длина излучающего элемента 1102B, l₂ - длина излучающего элемента 1202. Как показано на фиг.12 и фиг.13, приемник GNSS может быть интегрирован в антенный блок 1112, чтобы обеспечить компактную в целом двухдиапазонную антенную систему.

На фиг.9 и фиг.10 представлены сравнения характеристик для обычной ярусной антенны с плоской экранирующей плоскостью (как показано на фиг.2) и характеристик для ярусной антенны для экранирующей плоскости с полостью (как показано на фиг.12). На фиг.9 показаны графики измеренных диаграмм направленности на частоте 1575 МГц (индуцируется верхний излучающий элемент). График 902 показывает результаты для плоской экранирующей плоскости, и график 904 показывает результаты для экранирующей плоскости с полостью. На графике 902 (плоская экранирующая плоскость) диаграмма направленности уменьшается в передней полусфере по мере того, как θ превышает примерно 60 градусов. На графике 904 (экранирующая плоскость с полостью) диаграмма направленности излучения, однако, по существу, остается плоской до 90 градусов. На фиг.10 показаны графики измеренного отношения излучения вниз/вверх. Сравнение графика 1002 (плоская экранирующая плоскость) и графика 1004 (экранирующая плоскость с полостью) указывает на улучшенные (более низкие) отношения излучения вниз/вверх для экранирующей плоскости с полостью. Улучшение особенно заметно по мере того, как θ приближается к 90 градусам.

Предшествующее подробное описание должно во всех отношениях пониматься как иллюстративное и как пример, но не как ограничивающее, и объем изобретения, раскрытый здесь, должен определяться не из подробного описания, а из формулы изобретения, интерпретируемой в полном объеме, согласно патентному праву. Следует понимать, что показанные и описанные здесь варианты осуществления являются только иллюстрацией принципов настоящего изобретения и что специалистами в данной области техники могут быть осуществлены различные изменения, не отступая от объема и сущности изобретения. Специалисты в данной области техники могут осуществить различные другие комбинации признаков, не отступая от объема и сущности изобретения.

1. Широкополосная микрополосковая антенная система, содержащая:
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 полости;
имеет вторую высоту от первой поверхности, причем вторая высота больше нуля и не больше чем 0,05λ, где λ - длина волны в свободном пространстве для широкополосной микрополосковой антенной системы; и
имеет третью высоту от второй поверхности; и
отделен от плоскости заземления воздухом; и
проводник, соединенный с излучающим элементом и выполненный с возможностью ввода электромагнитных сигналов в излучающий элемент.

2. Широкополосная микрополосковая антенная система по п.1, в которой первый поперечный размер составляет приблизительно (1-1,5)λ, где λ - длина волны в свободном пространстве широкополосной микрополосковой антенной системы.

3. Широкополосная микрополосковая антенная система по п.1, в которой второй поперечный размер определяется в соответствии с алгоритмом:

где D второй поперечный размер;
l_р - третий поперечный размер;
С - определяемое пользователем значение в диапазоне примерно от 0,1 до 0,2; и
λ - длина волны в свободном пространстве для широкополосной микрополосковой антенной системы.

4. Широкополосная микрополосковая антенная система по п.1, в которой на по меньшем мере одном из излучающего элемента и второй поверхности расположены волновые замедляющие структуры.

5. Широкополосная микрополосковая антенная система по п.4, в которой волновые замедляющие структуры расположены вдоль периметра по меньшей мере одного из излучающего элемента и второй поверхности.

6. Широкополосная микрополосковая антенная система по п.5, в которой волновые замедляющие структуры содержат по меньшей мере одно из вытянутых непрерывных структур и ряда локализованных структур.

7. Двухдиапазонная широкополосная микрополосковая антенная система, работающая в первой полосе частот и второй полосе частот, в которой вторая полоса частот выше, чем первая полоса частот, содержащая:
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;
первый излучающий элемент, имеющий третий поперечный размер, причем первый излучающий элемент:
выполнен с возможностью работы в первой полосе частот;
расположен в поперечном направлении внутри полости;
имеет вторую высоту над первой поверхностью, причем
вторая высота больше нуля и не больше чем 0,05λ, где λ - длина волны в свободном пространстве для широкополосной микрополосковой антенной системы;
имеет третью высоту над второй поверхностью и
отделен от плоскости заземления воздухом; и
второй излучающий элемент, имеющий четвертый поперечный размер, причем второй излучающий элемент:
выполнен с возможностью работы во второй полосе частот;
расположен в поперечном направлении внутри полости;
имеет четвертую высоту над первым излучающим элементом;
имеет пятую высоту над первой поверхностью и
отделен от первого излучающего элемента воздухом;
первый проводник, соединенный с первым излучающим элементом и выполненный с возможностью ввода электромагнитных сигналов, имеющих первую полосу частот, в первый излучающий элемент; и
второй проводник, соединенный с вторым излучающим элементом и выполненный с возможностью ввода электромагнитных сигналов, имеющих вторую полосу частот, во второй излучающий элемент.

8. Двухдиапазонная широкополосная микрополосковая антенная система по п.7, в которой первый поперечный размер равен приблизительно (1-1,5)λ, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве во второй полосе частот.

9. Двухдиапазонная широкополосная микрополосковая антенная система по п.7, в которой второй поперечный размер определяется в соответствии с алгоритмом:

где D второй поперечный размер
l_р - четвертый поперечный размер;
C - определяемое пользователем значение в диапазоне примерно от 0,1 до 0,2; и
λ - длина волны излучения в свободном пространстве второй полосы частот.

10. Двухдиапазонная широкополосная микрополосковая антенная система по п.7, в которой на по меньшей мере одном из первого излучающего элемента и второй поверхности расположены волновые замедляющие структуры.

11. Двухдиапазонная широкополосная микрополосковая антенная система по п.7, в которой вдоль периметра по меньшей мере одного из первого излучающего элемента и второй поверхности расположены волновые замедляющие структуры.

12. Двухдиапазонная широкополосная микрополосковая антенная система по п.11, в которой волновые замедляющие структуры содержат по меньшей мере одно из вытянутых непрерывных структур и ряда локализованных структур.

13. Двухдиапазонная широкополосная микрополосковая антенная система по п.7, в которой на по меньшей мере одном из первого излучающего элемента и второго излучающего элемента расположены волновые замедляющие структуры.

14. Двухдиапазонная широкополосная микрополосковая антенная система по п.7, в которой вдоль периметра по меньшей мере одного из первого излучающего элемента и второго излучающего элемента расположены волновые замедляющие структуры.

15. Двухдиапазонная широкополосная микрополосковая антенная система по п.14, в которой волновые замедляющие структуры содержат по меньшей мере одно из вытянутых непрерывных структур и ряда локализованных структур.

16. Двухдиапазонная широкополосная микрополосковая антенная система по п.7, в которой первый излучающий элемент и второй излучающий элемент выполнены с возможностью работы в режиме с линейной поляризацией.

17. Двухдиапазонная широкополосная микрополосковая антенная система по п.7, в которой первый излучающий элемент и второй излучающий элемент выполнены с возможностью работы в режиме с круговой поляризацией.