МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ СПУТНИКОВЫХ ТЕЛЕФОННЫХ ПЕРЕДАЧ Российский патент 1998 года по МПК H01Q1/38 

Изобретение касается устройств микрополосковых или "microstrip" антенн.

В этой области уже описаны многочисленные конструкции антенн. Самая простая излучающая микрополосковая конструкция содержит диэлектрический слой, несущий с одной стороны проводящую подложку выбранной формы, а с другой стороны - проводящую поверхность, которую называют заземляющей плоскостью. При создании антенны необходимо определить способ подачи питания на эту конструкцию сверхвысокочастотной энергии.

Идея применения стопки наложенных друг на друга подложек была описана (статья Long & Walton, "A dual-frequency stacked circular disk antenna" (Двухчастотная многоярусная кольцевая дисковая антенна), IEEE Transactions on Antenna and Propogation, vol. AF 27, N 2, mars 1979). C тех пор были сделаны и другие предложения.

Что касается подачи питания на антенны с двумя наложенными друг на друга подложками, необходимо различать два очень отличающихся случая с точки зрения функциональности в зависимости от того, где осуществляется питание; или на уровне верхней подложки, или нижней подложки (ближайшей к плоскости заземления).

В случае, когда питание осуществляется на уровне нижней подложки, чаще всего речь идет о подключении к периферийной части этой подложки. Кроме того, предусматривают верхнюю подложку с большими размерами по сравнению с размерами нижней подложки (статья Tulintseff, Ali, et Kong, "Input impedance of a probe-fed stackes circular microstrip antenna" (Входное сопротивление питаемой через зонд многоэтажной кольцевой микрополосковой антенны), IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 39, N 3, mars 1991).

Специалисту в данной области известно, что создание антенн с наложенными друг на друга подложками является очень сложной проблемой. Были предприняты попытки моделирования их свойств. В качестве примера можно привести (статья Cock и Christodoulou, "Dessign of a two-layer, capacitively coupled, microstrip patch antenna element for broad band applications"), (Разработка двухслойного, c емкостным подключением элемента антенны для применения на широких полосах частот), симпозиум IEEE по развитию антенн, 1987). Несмотря на эти попытки крайне трудно предусмотреть посредством моделирования и понять поведение микрополосковых конструкций, содержащих две наложенные одна на другую подложки или более двух подложек.

Заявитель поставил задачу создания антенны, соответствующей электронной развертке, предназначенной для системы связи с подвижными объектами, такими как летательные аппараты (так называемая система SATCOM).

Эта система предусмотрена для работы с группой геостационарных спутников, управляемых через систему INMARSAT. Что же касается по крайней мере применений для летательных аппаратов, предложенное обслуживание связи руководствуется международным стандартом под названием ARINC 741.

С технической точки зрения проблема заключается в разработке антенны, которая могла бы работать, с одной стороны, в режиме передачи, с другой стороны, в режиме приема, в двух очень близких диапазонах, т.е. немного выше 1,5 гГц на прием и немного выше 1,6 гГц на передачу.

Функция электронной развертки необходима для этой антенны из-за движения несущего подвижного тела, которое в данном случае предполагается в виде летательного аппарата. Кроме того, необходимо также выбирать или одну антенну, устанавливаемую на крыше, или две боковые антенны. В случае двух боковых антенн, стандартом ARINC определено два приемлемых официальных оттиска, ограничивающих объем, в который должны вписываться предусмотренные антенны.

Антенна должна также соответствовать точной форме стенки подвижного объекта носителя и обеспечивать возможность приспосабливать ее к этой форме. Кроме того, она не должна быть толстой для того, чтобы свести до минимума аэродинамическое лобовое сопротивление, и разумеется она должна быть так разработана, чтобы обеспечить соблюдение механических характеристик, необходимых для конструкции летательного аппарата.

В результате проведенных исследований заявителем было установлено, что можно разработать микрополосковую антенну, работая практически в противоположном направлении относительно принятых до настоящего времени решений специалистами в данной области.

Итак согласно настоящему изобретению предлагается элемент антенны, значительно отличающийся от известных до настоящего времени антенн.

Этот элемент антенны относится к типу, включающему первый диэлектрический слой, содержащий, с одной стороны, плоскость заземления, а с другой стороны, первую проводящую подложку выбранной формы, второй диэлектрический слой, который расположен на первом слое, со стороны первой подложки, а с другой стороны, напротив первой подложки, несет вторую проводящую подложку выбранной формы, третий диэлектрический слой, находящийся на втором, а также средства подачи питания сверхвысокой частоты на одну из проводящих подложек.

Согласно изобретению вторая подложка имеет размер, меньший размера первой подложки, и эта первая подложка запитывается снизу по крайней мере в одной выбранной точке, расположенной между ее центром и ее периферией.

Благодаря такой конструкции стало возможным сконструировать операционную антенну при условии, что положение указанной точки будет выбрано в зависимости от соответствующих размеров первой и второй подложек, диэлектрических характеристик первого и второго слоев, а также характеристик третьего диэлектрического слоя, который имеет предпочтительно диэлектрические проницаемости, существенно превышающие диэлектрические проницаемости всех других.

Согласно другому варианту данного изобретения первая подложка соединена со сквозным вводом в плоскости заземления, соединенным с цепью питания, размещенной в диэлектрической подложке трехпластинчатой конструкции. В частности, эта трехпластинчатая конструкция содержит слой-подложку, расположенный между уже указанной плоскостью заземления и нижней плоскостью заземления; между обеими плоскостями заземления предусмотрены проводящие вводы, образующие периферийное экранирование подачи питания элемента антенны. Предпочтительно предусматривают делитель Уилкинсона, который может запитывать нижнюю подложку в двух точках, образующих с ее центром треугольник, практически равнобедренный, прямоугольный, в то время как соответствующие сигналы, поданные в эти две точки, находятся в квадратуре. Делитель Уилкинсона введен на промежуточном уровне слоя подложки, в соответствии с трехпластинчатой конструкцией. Этот промежуточный уровень на практике служит уровнем распределения питания между центральным разъемом для всей антенны и различными элементами антенн, которые ее образуют, в таком случае применяется как сетевая антенна.

В целесообразном варианте выполнения обе подложки имеют общую (существенно) круглую форму и эти две подложки являются практически максимальными, т. е. они расположены на том же самом перпендикуляре к плоскостям диэлектрических слоев.

На фиг. 1 представлена общая принципиальная схема элемента антенны в перспективе, в разобранном виде; на фиг. 2 - разделенный на части вид в частичном разрезе элемента антенны; на фиг. 3 - частичный детализированный вид (наложенный сверху) подсоединения нижней подложки к ее питанию через делитель Уилкинсона; на фиг. 4 - вид снизу 24-х делителей Уилкинсона для антенны с 24-я элементами, подключенными к центральному разъему; на фиг.5 - вид сверху 24 нижних подложек, точно соответствующий фигуре 4; на фиг. 6 - график, изображающий коэффициент отражения антенны в зависимости от частоты.

Специалисту в данной области известно, что форма является важным условием в микрополосковых устройствах. Кроме того, чертежи носят, в основном, утверждающий характер, поэтому их можно включать в описание не только для лучшего понимания описания, но также и для того, чтобы способствовать определению изобретения в случае необходимости.

На фиг. 1 и 2 позицией 6 обозначена нижняя плоскость заземления, которая может быть собрана с помощью изоляционного клея на листе, который должен быть установлен на стенке летательного аппарата Над этой плоскостью заземления располагаются два диэлектрических слоя 8 и 9 (соответственно нижний и верхний). В свою очередь слой 9 расположен под другой плоскостью заземления 7. Весь комплекс образует трехпластинчатую конструкцию с соответствующими металлизациями, выгравированными между слоями 8 и 9 или же точнее на одном из этих слоев.

В основном эти металлизации содержат линию питания 14, которая затем присоединяется по принципу делителя Уилкинсона, схематически изображенного на фиг. 1, и лучше изображенного на фиг. 3 и 4. Этот делитель содержит две ветви 15 и 16, которые сперва удаляются друг от друга, а затем соединяются на таком уровне, где они присоединяются к сопротивлению 17, введенному в толщину слоя 8, но при этом оно не подсоединяется к нижней плоскости заземления 6. Затем обе ветви 15 и 16 снова расходятся, для того чтобы подойти к соответствующим точкам питания 18 и 19.

Эти точки 18 и 19 соединены вводами 12 и 13, (не соединенными с плоскостью заземления 7), с точками питания 10 и 11, предусмотренными на нижней подложке 4 или управляющей подложке, выгравированной на верхней поверхности диэлектрического слоя 1, размещенного над плоскостью заземления 7.

Как видно на фиг. 3 и 4, концевые части гравюр 15 и 16 выполнены с различной длиной таким образом, чтобы в электромагнитном плане сигналы, имеющиеся на уровне точек 10 и 11, были бы существенно в квадратуре друг друга. Соответственно точки питания 10 и 11 подложки 4 расположены существенно под прямым углом друг к другу.

Эти две точки расположены на расстояниях, обозначенных позициями 26 и 27, от центра подложки 4, которые, в принципе, одинаковы. Мы вернемся ниже к более детальному рассмотрению выбора этих расстояний. Однако можно сразу же сказать, что эти расстояния 26 и 27 находятся в принципе в пределах 50 - 100% от радиуса подложки 4 (на фиг. 3 радиус обозначен позицией 25).

Над подложкой 4 предусмотрен второй диэлектрический слой 2 с такой же диэлектрической проницаемостью, что и слой 1, но с большей толщиной, как это видно на фиг. 2. В верхней части, в слое 2 выполняется травлением вторая проводящая подложка 5 (подсоединенная подложка), которая является в принципе круглой и соосной с подложкой 4, но ее диаметр меньше диаметра подложки 4.

Элемент антенны заканчивается дополнительным диэлектрическим слоем 3, который образует обтекатель и имеет в принципе диэлектрическую проницаемость, значительно превышающую диэлектрическую проницаемость слоев 1 и 2.

Кроме того, на фиг. 2 и 4 показано, что линия 14 продолжается до прохода через металлизированное отверстие к общему сверхвысокочастотному разъему 21 коаксиального типа, расположенному за металлическим листом, находящимся под нижней плоскостью заземления 6.

Кроме того, если сблизить фигуры 2 и 4, то станет понятно, что этот разъем снабжен для каждого контакта периферическим экраном в форме подковы, которая проходит через весь диэлектрический слой 8. Этот экран мог бы быть образован сплошным проводящим слоем. Заявитель отметил, что было достаточно предусмотреть некоторое количество сквозных контактных гнезд, которые охватывают место ввода 21 с зазором между этими гнездами, которые остаются значительно меньшими, чем длина волны обрабатываемых сигналов сверхвысокой частоты.

Таким же образом периферийные контактные гнезда, такие как 22 - 24 образуют экран для питания рассматриваемого элемента антенны относительно соседних элементов антенн и относительно внешней среды.

Однако следует отметить, что над плоскостью заземления 7 не предусмотрено никакой изоляции элемента антенны по отношению к его соседним элементам.

На фиг. 5 показано, как можно расположить 24 элемента антенны для образования соответствующей антенны с электронной разверткой, удовлетворяющей условиям поставленной задачи. Как уже указано, эти элементы антенны связаны с общим разъемом, содержащим 24 штырька (не менее). Выше по ходу этого разъема для каждого элемента антенны предусматривается обработка в виде индивидуальной взаимной разфазировки с помощью фазовращателя 28, как схематично показано на фиг. 2.

Основные параметры, влияющие на работу такой антенны, следующие : высота и диэлектрическая проницаемость всех трех слоев 3, 2 и 1; диаметры подложек 4 и 5; радиус d, равный позициям 26 и 27 обеих точек питания нижней подложки 4.

В рассматриваемом конкретном варианте применения поставлена задача получения унитарного элемента антенны двойного действия (фиг. 6):
а) действие на двух частотах, включая хорошую адаптацию (лучше, чем - 20 дБ), F1 и F2;
б) действие с широкой полосой, обеспечивающее по крайней мере адаптацию в 10 дБ между частотами F3 и F4, включающими частоты F1 и F2.

Заявитель отметил, что для того чтобы частоты F1 и F2 не были бы слишком удалены одна от другой, и как только зафиксированы параметры высот и диэлектрическая проницаемость всех трех вышеуказанных слоев, практически существует единственное решение для радиусов обеих подложек и радиусов питания подложек 4, которое позволит удовлетворить вышеупомянутые условия.

Любое изменение одного из параметров приводит к тому, что становится очень трудно вновь найти положение, которое могло бы удовлетворить указанным условиям.

Хотя рассматриваемые явления еще не полностью понятны, кажется, что в общем случае все происходит так, как если бы одна из двух подложек 4 и 5 резонировала на рабочей частоте. Напротив существует совсем небольшая область в параметрах антенны, для которой подложки взаимодействуют, демонстрируя при этом поведение типичное двухчастотное, как и требовалось. И еще требуется отыскать оптимальную точку этого поведения на двух частотах для удовлетворения условий работы, желательных для антенны, как они указаны выше.

В частности, оказалось, что практически очень трудно обеспечить приведение в действие элемента антенны, не добавляя к нему верхний слой 3.

Таким образом получены антенны, обладающие следующими параметрами: толщина слоя 3 1,5 - 2,5 мм; относительная диэлектрическая проницаемость слоя 3 4 - 5; толщина слоя приблизительно 4,8 мм; толщина слоя 1 приблизительно 1,6 мм; относительные диэлектрические проницаемости слоев 1 и 2, а также 8 и 9 приблизительно 2; диаметр подложки 4 приблизительно 70 мм; диаметр подложки 5 приблизительно 60 мм; радиус точек питания 10 и 11 между 0,5 и 0,7 радиуса подложки 4.

Такие антенны могут удовлетворять поставленным условиям для рабочего диапазона SATCOM, а именно: коэффициент отражения луча лучше -20 дБ при центральной частоте приема (1,545 ГТц); коэффициент отражения лучше - 20 дБ при центральной частоте передачи (1,645 ГТц); поведение в полосе пропускания лучше, чем -10 дБ между 1,53 и 1,66 ГТц.

Рассмотрим теперь структуру сети элементов антенн, как она изображена на фиг. 4 и 5.

Прежде всего об этом уже было сказано выше, что каждая нижняя подложка запитывается в двух точках, расположенных на двух радиусах, практически перпендикулярных друг другу.

Выяснилось, что выгодно распределять удобным образом обе точки питания, и так различным образом для всех изображенных 24-х элементов антенны. Установлено, что это позволяет уменьшить коэффициент эллиптичности антенны, учитывая тот факт, что она действует в круговой поляризации и с электронной разверткой. С этой целью можно либо распределить точки питания практически на удачу либо экспериментальным путем отыскать оптимальную конфигурацию с точки зрения этого коэффициента эллиптичности (например, как на фиг. 5).

Сетевая антенна с электронной разверткой, полученная таким образом, оказалась способной функционировать для углов отражения от линии визирования до 60^o с достаточно низкими уровнями боковых лепестков и с усилением по крайней мере на 12 дБ по сравнению с изотропной антенной.

Хороший компромисс между потерей усиления и уровнем боковых лепестков был получен в результате использования закона освещенности, слабо взвешенного по амплитуде. Это может быть закон Тейлора кругового типа, 20 дБ, причем эти данные понятны для специалиста в данной области.

Фазовращатели, соединенные с каждым из элементов антенны, могут быть введены в блок ориентации пучка (или блок управления положением диаграммы направленности антенны), расположенный внутри самолета.

Целесообразно использовать фазовращатели строчного типа, переключаемые диодами PIN, управляемыми двоичными словами по 4 бита, что дает разрешение в 22,5^o.

Распределитель, введенный в блок фазовращателя, обеспечивает взвешивание по амплитуде согласно указанному закону.

В конкретном рассматриваемом случае применения антенна должна работать одновременно на передаче и на приеме на относительно близких частотах. Что касается калибровки фазовращателей электронной развертки, необходимо синхронизировать сеть по фазе, в полосе приблизительно 8%.

Вместо того, чтобы рассчитывать закон фазы при средней частоте диапазона, заявитель считает, что предпочтительнее учитывать применение двух различных диапазонов частот так же, как и квантование и природу фазовращателей (коммутируемые линии). Для этой цели заявитель использует нижеописанный способ калибровки.

Возьмем элемент A_i соответствующей антенны, следовательно, не плоской, с координатами (в центре) X_i, Y₁, Z_i. Когда необходимо отклонить от линии визирования основной пучок в направлении U,V на частоте f, необходимо приложить к этому элементу антенны A_i теоретическое фазовое смещение DP_i, которое является функцией от f, U и V, которая известна специалистам в данной области:
DP_i (f, U, V).

На практике используют калибровочную таблицу TC (n, F), в которой используют целое число (или другую дискретную переменную), обозначающее требуемое состояние фазовращателя, при 0 ≤ n ≤ N, в то время как ограничиваются также дискретными величинами частоты F. Это записывается следующим образом:
DQ_i (F, n).

B рассматриваемом примере берут 101 точку частоты в диапазоне 1,53 - 1,66 ТГц; и N = 15, с n, определенными на 4 бита. Этот способ фазирует сеть правильно только на одну частоту, в то время как антенна ведет себя практически как двухчастотная.

В этом случае заявитель установил расстояние между теоретической фазой и табулированной фазой для частот f1 и f2, в частности формы:
DD_i = | DQL (F1, n) - DP_i (f1, U, V) |
+ | DQ_i (F2, n) - DP_i (f2, U, V) |
где:
| обозначает абсолютную величину.

Калибрование заключается в этом случае в том, чтобы заранее отыскать для каждого направления визирования и каждого элемента антенны значение n, которое сводит к минимуму эту функцию DD_i. Управление фазовращателей осуществляется в зависимости от этого. Конечно это калибрование может быть заложено в память.

Настоящее изобретение не ограничивается обязательно описанным вариантом выполнения или рассмотренным случаем применения изобретения. Сам элемент антенны может служить для других случаев применения, лишь бы только была сохранена его новая конструкция. Необходимо также рассмотреть сочетание микрополоскового элемента и трехпластинчатого питания в одной и той же многослойной электрической стопке. Поляризация может быть иного типа, а не круговой поляризацией из описанного варианта выполнения.

Другая особенность изобретения заключается в том, что оно позволяет избежать для слоев 1 и 2 применения диэлектриков с малой постоянной или пористых, или даже состоящих из газа.

Антенна содержит первый диэлектрический слой, содержащий с одной стороны плоскость заземления и с другой стороны - первую проводящую подложку выбранной формы. Второй диэлектрический слой расположен над первым слоем со стороны первой подложки и несет на себе с другой стороны, напротив первой подложки, вторую проводящую подложку выбранной формы. Третий диэлектрический слой расположен над вторым диэлектрическим слоем. Вторая проводящая подложка имеет размер, меньший размера первой проводящей подложки. Первая проводящая подложка запитывается снизу по крайней мере в одной выбранной точке, расположенной между ее центром и ее периферией. Целесообразно, чтобы первая проводящая подложка была соединена в плоскости заземления со сквозным вводом, соединенным с цепью питания, расположенной в диэлектрической подложке трехпластинчатой структуры. Техническим результатом является создание антенны, способной работать в режимах передачи и приема в двух очень близких частотных диапазонах. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Антенное устройство, содержащее некоторый первый диэлектрический слой (1), имеющий с одной стороны некоторую плоскость заземления (7), а с другой стороны - некоторую первую проводящую подложку (4) выбранной формы, некоторый второй диэлектрический слой (2), расположенный над упомянутым первым диэлектрическим слом (1) со стороны упомянутой первой проводящей подложки (4) и несущий на себе, с другой своей стороны, напротив первой проводящей подложки (4), некоторую вторую проводящую подложку (5) выбранной формы и некоторый третий диэлектрический слой (3), расположенный над упомянутым вторым диэлектрическим слоем (2), а также средства сверхвысокочастотного питания одной из упомянутых проводящих подложек, отличающееся тем, что упомянутая вторая проводящая подложка (5) имеет размер, меньший, чем размер упомянутой первой проводящей подложки (4), а упомянутая первая проводящая подложка (4) запитывается снизу в по меньшей мере одной выбранной точке (10), располагающейся между ее центром и ее краем. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутая первая проводящая подложка (4) соединена с вводом (12) упомянутой плоскости заземления, подключенным к цепи питания (15, 16), размещенной в диэлектрической подложке (9, 8) трехпластинчатой структуры. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что обе упомянутые проводящие подложки (4, 5) имеют практически круглую форму. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что обе упомянутые проводящие подложки (4, 5) являются практически коаксиальными. 5. Антенное устройство по одному из пп.2 - 4, отличающееся тем, что диэлектрические материалы первого и второго диэлектрических слоев (1, 2) и диэлектрической подложки (9, 8) трехпластинчатой структуры имеют диэлектрическую проницаемость порядка 2, а отношение значений толщины второго (2) и первого (1) диэлектрических слоев имеет величину порядка 3. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что диэлектрический материал упомянутого третьего диэлектрического слоя (3) имеет диэлектрическую проницаемость порядка 4. 7. Устройство по одному из пп. 2 - 6, отличающееся тем, что упомянутая трехпластинчатая структура содержит некоторый слой-подложку (9, 8), помещенный между упомянутой плоскостью заземления (7) и нижней плоскостью заземления (6), с проводящими выводами (22 - 24), определяющими периферийное экранирование, и делитель Уилкинсона (15, 16, 17), размещенный на некотором промежуточном уровне упомянутого диэлектрического слоя-подложки и способный запитывать упомянутую первую проводящую подложку в двух точках (10, 11), образующих вместе с его центром некоторый практически прямоугольный равнобедренный треугольник. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что диэлектрический материал упомянутого диэлектрического слоя-подложки (9, 8) обладает практически той же диэлектрической проницаемостью, что и диэлектрические материалы первого и второго диэлектрических слоев (1, 2). 9. Устройство по одному из пп.1 - 8, отличающееся тем, что оно содержит некоторую сеть из первых (4) и вторых (5) проводящих подложек, размещенных соответственно на тех же самых первом и втором диэлектрических слоях. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что оно связано с некоторыми управляемыми фазосдвигающими устройствами (28), придающими этому устройству функцию электронной развертки. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что пары точек подачи питания (10, 11) на первые проводящие подложки распределены таким образом, чтобы повысить коэффициент эллиптичности данной антенны для больших отклонений от линии визирования. 12. Устройство по одному из пп.10 или 11, отличающееся тем, что упомянутые фазосдвигающие устройства (28) калибруются, исходя из функции дальности между теоретическими значениями и реальными значениями для одной и для другой из двух центральных частот данной антенны.