ПЛОСКАЯ АНТЕННА Российский патент 1994 года по МПК H01Q13/18 

Изобретение относится к антенной технике, а более конкретно к плоским антеннам.

Для приема сигналов со спутников в диапазоне 12 ГГц необходима антенна с высоким коэффициентом усиления. Такому требованию отвечают обычные зеркальные антенны. Однако зеркальные антенны довольно громоздки, их рабочие характеристики ухудшаются при воздействии дождя, снега и ветра. Из-за большой парусности зеркальной антенны, обуславливающей большие ветровые нагрузки, мачта или иное крепление для установки антенны должны быть достаточно жесткими, и следовательно, довольно громоздкими и тяжелыми. Внешний вид зеркальной антенны не гармонирует с внешним видом жилых и общественных зданий. Эти факторы обусловили необходимость разработки плоских антенн.

Плоские антенны имеют меньший вес, меньшую парусность, менее подвержены влиянию метеоусловий. Эстетическая согласованность плоских антенн с внешним видом жилых и общественных зданий позволяет устанавливать их на стенах зданий. Так как плоские антенны позволяют вести прием сигналов спутника через оконные стекла, то они могут устанавливаться непосредственно в квартирах.

Известна плоская антенная решетка, состоящая из экранирующего слоя в виде пластины из электропроводящего материала и размещенного над ним излучающего слоя, содержащего резонаторные печатные излучатели и схему питания из электропроводящего материала, и диэлектрической прокладки между этими слоями (Marata Takao, Ohmaru Kenji "A flat panel antenna with two-layer structure for satellite broadcasting reception", NHK Lab. Note - 1989 - N 374, p. 1-12). Резонаторный печатный излучатель в форме квадрата имеет гальванический контакт с полосками схемы питания. С целью исключения вторичных дифракционных максимумов в диаграмме направленности излучатели расположены друг от друга на расстоянии, равном 0,7-0,9 λ, где λ- длина волны.

Однако такая антенная решетка имеет большие потери, обусловленные:
- непосредственным излучением проводников схемы питания;
- излучением вследствие дифракции волн на Т-образных разветвлениях, трансформатора полных сопротивлений и изгибах микрополосковой линии;
- рассением поверхностной волны, распространяющейся вдоль границы диэлектрическая подложка - воздух, на неоднородностях слоя и на кромках антенны;
- тепловыми потерями в диэлектрике слоя и прокладки микрополосковой линии;
- тепловыми потерями в полосках и экране микрополосковой линии.

Известна плоская антенна для приема волн СВЧ-диапазона, переданных с геостационарного вещательного спутника (USA, 4851855), содержащая систему плоских компланарных печатных излучателей, расположенных между двумя слоями из синтетической смолы. Одна из поверхностей системы излучателей представляет собой раскрыв антенны. Антенна также содержит плоскую схему питания, образованную полосками из электрически проводящего материала и расположенную между двумя слоями из синтетической смолы, и размещенный под ней плоский экран. Система излучателей и схема питания, схема питания и экран разделены между собой прокладками.

Прокладки в указанной антенне выполнены в виде рамы из металла, синтетической смолы или дерева. Фидерная сеть антенны представляет собой подвешенную симметричную полосковую линию.

Благодаря использованию полосковой линии в известной антенне исключены потери, обусловленные непосредственным излучением проводников схемы питания, излучением вследствие дифракции волн на Т-образных разветвлениях, трансформаторах полных сопротивлений и изгибах микрополосковой линии, уменьшены тепловые потери в диэлектрике полосковой линии.

Однако известная антенна также имеет большие тепловые потери в центральном проводнике и экранах полосковой линии вследствие большой протяженности полосков, большого количества двоичных делителей мощности, трансформаторов полных сопротивлений, изгибов линии.

Известна плоская антенна в виде многослойной структуры, образованной экранирующим слоем из электропроводящего материала, слоем с полосковой схемой питания и излучающим слоем в виде пластины со щелевыми излучателями, электромагнитно связанными с соответствующими полосками схемы питания. Указанные слои разделены друг от друга диэлектрическими прокладками. С экранирующим слоем и полосками схемы питания связан переход. Гальваническая связь проводников слоев со схемой питания и с щелевыми излучателями отсутствует (Hirofumi Ishizaki "Square Antennas Edge Jnto BS Antenna Market" - JEI, 1990, vol. 37, N 8, серия N 432, pp. 63-64).

В режиме передачи антенна работает следующим образом.

Сигнал от передатчика подается на вход перехода и далее через схему питания подводится к щелевым излучателям. Щели возбуждаются полем электромагнитной волны, распространяющейся вдоль полосковой линии.

Однако известная антенна также имеет большие тепловые потери в полосковом проводнике и экранах полосковой линии вследствие большой протяженности фидерной линии, большого количества двоичных делителей мощности, трансформаторов полных сопротивлений, изгибов линии, большого погонного ослабления мощности в линии, которое не представляется возможным уменьшить.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой антенне является выбранная в качестве прототипа плоская антенная решетка, состоящая из подвешенной микрополосковой линии, образованной проводником на диэлектрической пленке, подвешенной между двумя металлическими пластинами. Пластины снабжены отверстиями, расположенными в ряд попарно на уровне выступающих выводов (штырей) проводника микрополосковой линии. Антенна дополнена отражающей пластиной, обуславливающей одностороннее излучение антенны. Кроме того, с целью улучшения согласования выводов микрополосковой линии с излучающими элементами решетки и вследствие этого увеличения коэффициента усиления в антенну введена решетка объемных ячеек, стенки которых образуют волноводы [EPO 252779A].

Однако такая антенна также имеет большие тепловые потери. Дело в том, что в диапазоне 12 ГГц основной вклад в погонное затухание волны в полосковой линии с хорошим диэлектриком в качестве заполнителя линии вносят тепловые потери в проводниках - в полоске и в экранах линии.

Потери в линии возрастают с ухудшением согласования в фидерной сети. Согласование же существенным образом зависит от количества щелевых излучателей, так как с ростом их количества в антенной решетке увеличивается количество двоичных делителей мощности, трансформаторов полных сопротивлений, изгибов линии. Так, например, решетка, имеющая 2^М= 256 излучателей имеет число М = 9 двоичных делений мощности в антенне с линейной поляризацией и М + 1 = 10 делителей на пути от входа антенны до излучателя круговой поляризации. В связи с высокой плотностью излучателей в решетке изгибы в линии выполняются прямоугольными.

Большое количество элементов фидерного тракта в решетке, резкие изломы полоскового проводника ухудшают согласование в линии и вследствие этого приводят к повышению потерь в антенне.

Целью настоящего изобретения является уменьшение потерь в антенне.

Поставленная цель достигается тем, что в плоскую антенну в виде многослойной структуры, образованной экранирующим слоем из электропроводящего материала, слоем с полосковой схемой питания и слоем в виде пластины со щелями, электромагнитно связанными с соответствующими полосками схемы питания, а также слой в виде решетки объемных ячеек и переход, связанный с экранирующим слоем и полосками питания, введена частично прозрачная для диапазона принимаемых волн пластина, размещенная на решетке объемных ячеек, причем решетка объемных ячеек выполнена из электропроводящего материала и расположена на пластине со щелями с образованием каждой из ее ячеек объемного резонатора, в котором размещена по меньшей мере одна щель, при этом длина и ширина каждой ячейки превышает среднюю длину волны, а ее высота а = λ/2.

Введение в плоскую антенну решетки резонаторов позволяет существенно уменьшить количество щелевых излучателей при сохранении коэффициента направленного действия плоской антенны за счет трансформации поля излучателя в поле собственного колебания резонатора, исключающее возможность появления вторичных дифракционных максимумов в диаграмме направленности. Уменьшение количества излучателей позволяет упростить схему питания и снизить потери в ней.

Целесообразно, чтобы частично прозрачный слой был бы выполнен в виде пластины из электропроводящего материала с отверстиями связи, при этом высота решетки должна составлять менее половины средней длины волны.

Использование в качестве частично прозрачного слоя пластины из проводящего материала с отверстиями связи позволяет выполнить этот слой штамповкой.

Целесообразно также, чтобы частично прозрачный слой был бы выполнен в виде диэлектрической пленки с размещенными на ней с обеих сторон электрически изолированными металлическими пластинками, при этом высота решетки должна составлять более половины средней длины волны.

Применение диэлектрической пленки с металлическими пластинками позволяет выполнить частично прозрачный слой с помощью печатной технологии.

Целесообразно также, чтобы щели были выполнены в виде узких прямолинейных прорезей длиной примерно равной половине длины волны. Целесообразно также, чтобы плоская антенна была бы выполнена таким образом, чтобы ширина и длина каждой ячейки составляла бы 4 λ, где λ - длина волны, при этом число щелевых излучателей в каждой ячейке было бы равно двум и расположены они были бы параллельно одной из стенок ячейки на расстояниях от нее, равных соответственно 1/4 и 3/4 длины стенки, ортогональной щелям.

Использование двух щелевых излучателей, расположенных в резонаторе указанным образом, позволяет расширить полосу рабочих частот антенны, так как такое расположение исключает возбуждение ближайшего паразитного колебания в резонаторе и соответствующее ему искажение диаграммы направленности.

Целесообразно также, чтобы плоская антенна была бы выполнена таким образом, чтобы в каждой ячейке решетки дополнительно были бы выполнены два щелевых излучателя, размещенных параллельно друг другу и ортогонально основным щелевым излучателям на расстояниях, равных соответственно 1/4 и 3/4 длины стенки, ортогональной щелям, при этом длины полосков, соответствующих каждой паре ортогонально расположенных излучателей, должны отличаться друг от друга на 1/4. λ.

Использование четырех щелевых излучателей в резонаторе, расположенных и питаемых указанным образом, позволяет обеспечить излучение или прием волн с круговой поляризацией поля в рабочем диапазоне частот.

Целесообразно также, чтобы решетка объемных ячеек была выполнена из диэлектрического материала, причем ее поверхность металлизирована.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 изображен трехмерный вид основных частей плоской антенны в разобранном виде; на фиг.2 - вариант выполнения частично прозрачного слоя; на фиг.3 - расположение щелевых излучателей на пластине излучающего слоя; на фиг.4 - графики двумерного закона распределения касательной составляющей напряженности электрического поля по данным измерений на расстоянии 4/5 λ от апертуры антенны; на фиг.5 - экспериментальная диаграмма направленности антенны первого варианта выполнения в плоскости вектора Е; на фиг.6 - экспериментальная диаграмма направленности антенны первого варианта ее выполнения в плоскости вектора Н; на фиг.7 - график зависимости коэффициента усиления антенны первого варианта ее выполнения от частоты; на фиг.8 - экспериментальная диаграмма направленности антенны второго варианта ее выполнения в плоскости вектора Е; на фиг.9 - экспериментальная диаграмма направленности антенны второго варианта ее выполнения в плоскости вектора Н; на фиг.10 - график зависимости коэффициента усиления антенны второго варианта выполнения от частоты.

Антенна содержит экранирующий слой 1 (фиг.1), слой 2 с полосками 3 схемы питания из электрически проводящего материала, слоя 4, включающий в себя проводящую пластину с системой щелей 5 и 6 прокладки 7 и 8, решетку 9 с объемными ячейками 10, частично прозрачный слой 11 с отверстиями 12 связи, обтекатель 13 при необходимости, коаксиально-полосковый или полосково-волноводный переход 14.

Экранирующий слой 1 выполняется из алюминия, меди, серебра или другого материала с высокой электрической проводимостью. С целью защиты проводящего экранирующего слоя 1 от коррозии его поверхность может быть покрыта слоем диэлектрика толщиной 5-20 мкм.

Слой 2 выполняется в виде трехпластинчатой конструкции, обеспечивающей защиту проводников схемы питания от коррозии.

Слой 4 выполняется также в виде трехпластинчатой конструкции, при этом верхняя сторона проводящей пластины с системой щелей 5 и 6 покрывается пленкой из синтетического материала после припайки или приклейки пластины к решетке 9.

Прокладки 7 и 8 выполняются из вспененного полистирола или другого диэлектрического материала с малым значением тангенса угла диэлектрических потерь.

Решетка 9 и частично прозрачный слой 11 выполняются из хорошо проводящего материала, такого, как алюминий, медь, серебро или анлогичного по проводимости электрического тока. Решетка 9 выполняется либо из диэлектрического материала с нанесенным на него металлическим покрытием, либо из хорошо проводящего материала.

Слой 11 выполняется в виде металлической пластины, перфорированной круглыми или квадратными отверстиями 12. В другом варианте слой 11 (фиг.2) выполняется в виде диэлектрической пленки с размещенными на обеих сторонах электрически изолированными металлическими пластинками 15.

Проводящая пластина слоя 4, решетка 9 и слой 11 после сборки антенны имеют между собой гальванический контакт по всему периметру соприкосновения. Гальваническая связь обеспечивается либо за счет пайки, либо приклейки токопроводящим клеем.

Проводящая пластина слоя 4 совместно с ячейками 10 решетки 9 и слоем 11 образуюют n x m объемных резонаторов с частично прозрачной поверхностью, где n и m - количество резонаторов по осям X и Y ортогональной системы координат в плоскости раскрыва антенны. Длина и ширина ячеек 10 выбирается порядка нескольких длин волн в зависимости от заданного диапазона рабочих частот, например, 4λx4λ . Высота решетки 9 выбирается из требования, чтобы сумма высоты решетки 9 и половины толщины слоя 11 отличалась от половины длины волны на величину, пропорциональную корню квадратному из относительной полосы частот, например, на величину 0,02-0,07 длины волны. Выбор количества n x m резонаторов выполняется из условия обеспечения заданного коэффициента усиления антенны.

В режиме передачи предлагаемая плоская антенна работает следующим образом.

Сигнал от передатчика (на фиг. не показан) подается на вход коаксиально-полоскового перехода 14 (фиг.1) и далее через полоски 3 схемы питания подводится к щелям 5 и 6.

Щели возбуждаются полем электромагнитной волны, распространяющейся вдоль полосковой линии. Далее происходит возбуждение щелями объемных резонаторов и последующее излучение электромагнитной энергии через слой 11.

Структура поля в резонаторе с частично прозрачной стенкой с ростом добротности асимптотически стремится к структуре поля в закрытом резонаторе.

Щели излучателей 5,6 (фиг.1) возбуждают в резонаторе основное колебание, приближенно описываемое соотношением:
E_x=cos sin sinωt , (1)
E_y=cos sin cosωt , (2) где ω - круговая частота колебаний в резонаторе,
l - длина сторон резонатора,
а - высота резонатора.

Амплитуды колебаний более высокого порядка малы по сравнению с амплитудой основного колебания вследствие избирательных свойств резонатора.

В результате прохождения волны через слой 11 в раскрыве антенны формируется распределение поля по закону:
= cos sinωt+cos cosωt (3) где i (j) - единичный вектор вдоль оси X (Y).

При данном распределении поля в раскрыве антенна формирует диаграмму направленности с максимумом излучения в направлении нормали к раскрыву, а поле излучения имеет круговую поляризацию.

Введение в антенну дополнительно решетки 9 и слоя 11 позволяет существенно разредить решетку из щелей 5 и 6. Анализ результатов численных исследований с использованием строгого решения электродинамической задачи возбуждения резонаторной антенны показывает, что при работе в 5%-ой полосе частот щели 5 и 6 излучателей на проводящей пластине слоя 4 могут отстоять друг от друга в плоскости Н на расстоянии, равном 4λ . Из результатов экспериментальных исследований установлено, что расстояние между двумя щелями в плоскости Е может быть порядка двух длин волн. Экспериментальный образец с линейной поляризацией поля излучения, обеспечивающий 5%-ую полосу частот при размере сторон ячейки 10, равном 4λ x 4λ и n = m = 1 имеет две щели, расположенные в плоскости вектора Е.

Следует отметить, что, несмотря на то, что щели на пластине слоя 4 расположены с шагом порядка 2λ , тем не менее предложенная антенная решетка не имеет вторичных дифракционных максимумов. Введение дополнительно решетки 9 и слоя 11 превращает антенну в виде решетки дискретных излучателей в апертурную антенну, в раскрыве которой напряженность поля по одной из координат постоянна, а по другой изменяется в пределах каждого резонатора по косинусоидальному закону. Указанное распределение поля в раскрыве антенны обеспечивает подавление вторичных интерференционных максимумов, которые имели бы место в разреженной решетке.

Благодаря разреженности решетки из щелей 5 и 6 упрощается схема питания антенны:
- уменьшается длина проводников схемы питания;
- уменьшается количество двоичных делителей мощности в схеме питания и, соответственно, уменьшается количество трансформаторов сопротивлений и изгибов линии питания;
- в связи с меньшей плотностью элементов схемы делители мощности выполняются не в виде прямоугольных переходов, а в виде плавного изгиба проводников в местах разветвлений;
- полосковая линия выполняется широкими полосками 3.

При использовании более широких полосков 3 в полосковой линии уменьшается величина погонного ослабления волны в линии. Уменьшение количества элементов схемы, применение плавных переходов позволяет получить лучшее согласование в схеме, что снижает потери в линии, обусловленные многократными отражениями волн от неоднородностей схемы. Уменьшение длины проводников схемы питания уменьшает потери в линии.

Кроме того, выбор широких полосков 3 для фидерного тракта снижает требования к точности изготовления тракта.

Вследствие использования резонаторов предложенная антенна имеет более высокую избирательность по частоте по сравнению с известными плоскими антенными решетками, излучающими элементами которых служат щели, микрополосковые коленчатые линии, диполи, микрополосковые излучатели, рупоры.

В связи с этим при приеме сигналов спутника непосредственного телевизионного вещания снижается влияние помех вне рабочей полосы.

Предложенная антенна по сравнению с применяемыми в настоящее время зеркальными антеннами для систем непосредственного телевизионного вещания обладает преимуществом в отношении конструктивной и эстетической согласованности с интерьером квартир, с внешним видом жилых и общественных зданий, имеет существенно меньший размер в направлении излучения волн.

Ниже приведены примеры, подтверждающие возможность реализации предлагаемого изобретения.

В первом варианте выполнения плоской антенны, соответствующем количеству 1 х 1 ячеек 10 в решетке 9, пластина слоя 4 имеет два ряда ортогонально расположенных щелей по два излучателя 5 и 6 в каждом ряду, как показано на фиг. 3. Внутренние размеры ячейки 10 решетки 9 равны 95 х 95 мм. Щели расположены в точках с координатами A ( - 47,5; 0); B (47,5; 0); C (0; 47,5); D (0; - 47,5). Высота стенок решетки 9 равна 11,7 мм.

Слой 11 выполнен путем перфорации медной пластины толщиной 1 мм квадратными отверстиями 12 размером 7,5 х 7,5 мм. Период перфорации по обеим координатам равен 11,5 мм.

Схема питания выполнена на основе симметричной полосковой линии. Ширина полоска 3 равна 3,8 мм, толщина - 0,018 мм. Высота полосковой линии - 3 мм. Прокладки 7 и 8 выполнены из вспененного полистирола.

По данным измерений волноводным методом диэлектрическая проницаемость вспененного полистирола равна 1,13, тангенс угла диэлектрических потерь равен 5˙10^-5. Схема питания построена таким образом, что магнитные токи в щелевых излучателях 5 и 6 каждого ряда синфазны между собой и сдвинуты относительно токов ортогонального ряда по фазе на 90^о. Сигнал на антенну поступает через полосково-коаксиальный переход 14.

На фиг.4 приведены графики, иллюстрирующие измеренный закон распределения касательной составляющей напряженности электрического поля Е в апертуре антенны. Измерения выполнены на расстоянии 4/5λ от апертуры антенны на частоте 11,7 ГГц.

Экспериментальные диаграммы направленности в плоскости вектора Е и в плоскости вектора Н показаны на фиг.5 и 6, соответственно.

Зависимость коэффициента К усиления антенны от частоты F по данным экспериментальных измерений приведены на фиг.7.

Во втором варианте выполнения плоской антенны алюминиевая решетка 9 имеет 4 х 4 ячеек 10. Внутренние размеры ячеек 10 равны 95 х 95 мм. Высота стенок решетки 9 равна 11,7 мм. На пластине слоя 4 размещены две системы ортогонально расположенных щелевых излучателей 5 и 6. В каждой системе щели расположены в четырех рядах по восемь параллельных между собой щелей излучателей 5 или 6 в ряду.

Слой 11 изготовлен из алюминиевого листа толщиной 1 мм путем его перфорации квадратными отверстиями 12 размером 7,5 х 7,5 мм. Решетка 9, слой 11 и проводящая пластина слоя 4 в совокупности образуют шестнадцать объемных резонаторов с частично прозрачной поверхностью. Расположение щелей на поверхности каждого резонатора тождественно расположению щелей в первой антенне. Полосковая линия схемы питания имеет в поперечном сечении те же размеры, что и линия первой антенны. Сигнал на антенну поступает через полосково-волноводный переход 14. Обтекаль 13 антенны выполнен из вспененного полистирола с плотностью 0,6 г/см³. Общие габариты антенны (без учета размеров коаксиально-полоскового перехода) 400 х 400 х 24 мм. Вес антенны 2,7 кг.

Экспериментальные диаграммы направленности второй антенны в плоскости векторов Е и Н показаны на фиг.8 и 9, соответственно.

Зависимость коэффициента К усиления второй антенны от частоты F по данным измерений приведены на фиг.10.

Коэффициент эллиптичности в максимуме диаграммы направленности в диапазоне частот 11,7-12,2 ГГц не хуже - 1дБ.

Изобретение может быть с успехом использовано в системах спутниковой и наземной связи, в системах спутникового телевидения, в частности в качестве антенны для непосредственного приема сигналов спутникового телевидения в диапазоне 12 ГГц.

Использование: антенные системы для спутникового телевизионного вещания. Сущность изобретения: плоская антенна представляет собой многослойную структуру, состоящую из размещенных одна под другой плоских пластин, содержащих проводящий экран, плосковую схему питания, щелевые излучатели, объемные резонаторы, частично прозрачную поверхность. Введение решетки объемных резонаторов с размерами ячейки больше рабочей длины волны и высотой примерно полволны позволяет уменьшить число излучателей при сохранении КПД, т.е. упростить схему питания и снизить потери. Использование четырех щелей в каждой ячейке, возбужденных известным образом, позволяет осуществить излучение и прием волн с круговой поляризацией. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. ПЛОСКАЯ АНТЕННА, содержащая многослойную структуру, образованную экранирующим слоем из электропроводящего материала, слоем с полосковой схемой питания и слоем в виде пластины со щелями, электромагнитно связанными с соответствующими полосковыми проводниками схемы питания, решетку объемных ячеек и переход, связанный с экранирующим слоем и полосковыми проводниками схемы питания, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения потерь, введена частично прозрачная для рабочего диапазона частот пластина, размещенная на решетке объемных ячеек, причем каждая ячейка решетки объемных ячеек выполнена из электропроводящего материала и образует вместе с пластиной с щелями объемный резонатор, при этом длина и ширина ячейки превышает среднюю длину волны λ, а ее высота a ≈ λ / 2, соседние щели расположены на пластине на расстоянии одна от другой большем длины волны. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что щели выполнены в виде узких прямолинейных прорезей длиной l ≈ λ / 2. 3. Антенна по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что ширина и длина каждой ячейки решетки объемных ячеек составляет 4λ˙4λ, при этом число щелей в каждой ячейке равно двум и они расположены параллельно одной из стенок ячейки на расстояниях от нее, равных соответственно 1/4 и 3/4 длины стенки, ортогональной щелям.