ПЛАНАРНАЯ АНТЕННА ДВОЙНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ Российский патент 2006 года по МПК H01Q1/38 

Изобретение относится к планарным микрополосковым антеннам СВЧ-диапазона и может найти применение в поляриметрических радиолокаторах, радиоинтроскопах, медицинских электромагнитных аппликаторах, системах приема и передачи информации.

Известны антенны СВЧ-диапазона и их отдельные элементы, предназначенные для приема сигналов на ортогональных поляризациях в поляриметрических радиолокаторах, радиоинтроскопах, медицинских электромагнитных аппликаторах, системах приема и передачи информации - микрополосковые антенные решетки, патенты РФ №2156524, 2156525, дата публикации 20.09.2000; Dual quadrature polarization radar system, США, патент №4005425, дата публикации 14.11.75; Crossed polarization directional antenna system, Франция, патент №6025798, дата публикации 24.07.98.

В качестве прототипа изобретения может быть рассмотрен патент Японии: Wide-band, dual polarized planar antenna, патент №5453751, дата публикации 01.09.93. Предлагается планарная антенна двойной поляризации, в виде квадратной металлической пластины, размещенной над проводящей поверхностью, причем сторона квадратной пластины-излучателя равна длине волны, а противофазные возбуждающие элементы ортогональных линейных поляризаций подключены к пластине попарно противофазно по ортогональным половинам квадрата.

Недостатком рассмотренных аналогов и прототипа является то, что эффективная развязка кроссполяризационных составляющих сигнала наводимая в ортогональных элементах антенны достигается только в положении, соответствующем нормали к полотну антенны. При отклонении направления приема этих антенн от нормали существенно изменяются амплитуды принимаемых антенной сигналов на различных поляризациях, развязка кроссполяризационных составляющих сигнала наводимая в ортогональных антенных элементах существенно ухудшается и для диапазона электронного сканирования в пределах ±45° не превышает 10...15 дБ, что недостаточно для большинства заявленных радиотехнических применений.

Таким образом, сущность предлагаемого изобретения (в отличие от решения, рассмотренного в прототипе) заключается в том, что квадратный планарный излучатель возбуждается не по стороне квадрата, а по диагонали, точки возбуждения также расположены на диагоналях излучателя и возбуждение волны каждого типа поляризации осуществляется в двух точках, лежащих на одной диагонали симметрично центру излучателя и сдвинутых по фазе на 180°.

Положительный эффект предлагаемого изобретения, заключающийся в снижении уровня кроссполяризационных составляющих сигнала, наводимого в ортогональных выходах антенны, и выравнивании амплитуд принимаемых антенной сигналов на различных поляризациях при отклонении угла прихода волны от нормали для диапазона электронного сканирования более ±45° достигается тем, что в качестве резонансного размера, равного длине волны излучения, выбирается длина диагонали квадратной пластины-излучателя, а противофазные возбуждающие элементы ортогональных линейных поляризаций подключаются к пластине попарно противофазно по ортогональным диагоналям квадрата.

Пример осуществления изобретения приведен на фиг.1.

Цифрами обозначены:

1 - Квадратная пластина - планарный излучатель;

2 - ортогональные попарно противофазно активизируемые точки возбуждения;

3 - фазовый трансформатор, обеспечивающий запитку элементов антенны противофазным сигналом;

4 - точка питания антенны по оси X;

5 - точка питания антенны по оси У.

При одной точке возбуждения, расположенной на диагонали квадратной пластины излучателя, входной импеданс последнего является результатом суперпозиции двух импедансов, обусловленных одновременным возбуждением мод TM₀₁ и ТМ₁₀. Эти моды создают линейную поляризацию вдоль диагонали пластины.

Когда возбуждение осуществляется по диагонали, кроссполяризационное излучение обусловлено, главным образом, благодаря моде ТМ₁₁. Экспериментальные исследования показывают, что в данной конструкции пластинчатого излучателя причина возникновения паразитного излучения легче устраняется, чем в том случае, когда излучатель возбуждается в точке, расположенной на средней линии.

При использовании двух радиально симметричных точек возбуждения с разностью фаз 180° вклад моды ТМ₁₁ аннулируется, что приводит к очень низкому уровню кроссполяризации.

Для проверки характеристик излучения пластинчатого излучателя со схемой возбуждения, приведенной на фиг.1, был изготовлен одиночный излучатель с размерами 86×86 мм и двумя точками возбуждения, отстоящими на 15 мм от центра пластины. Наличие двух точек возбуждения несколько усложняет процесс согласования излучателя с питающим фидером, но, тем не менее, удается достаточно хорошо согласовать излучатель в заданной полосе частот. На фиг.2 показан результат согласования одиночного излучателя с питающим фидером при двух точках возбуждения (по оси Х отложена относительная частота излучения антенны, по оси У - коэффициент стоячей волны в питающем фидере).

На фиг.3 показана диаграмма направленности (ДН) на основной и паразитной поляризации одиночного излучателя в Н-плоскости в трех точках рабочего диапазона, измеренные ДНА на трех точках из заданного частотного диапазона. На фиг.4 показана диаграмма направленности (ДН) на основной и паразитной поляризации одиночного излучателя в Е-плоскости в трех точках рабочего диапазона. По оси Х отложен угол относительно нормали к плоскости антенны, по оси У - уровень сигнала в дБ относительно уровня сигнала по нормали к антенне.

Из приведенных на фиг.3 и 4 ДН антенны видно, что предлагаемая конструкция квадратного планарного пластинчатого излучателя с парными симметричными точками противофазной запитки, лежащими на диагонали квадрата, действительно позволила значительно выровнять амплитуды принимаемого антенной сигнала на различных поляризациях при отклонении угла прихода волны от нормали и снизить уровень кроссполяризационного излучения во всем заданном секторе сканирования до среднего значения ˜ -30 дБ.

Изобретение относится к планарным микрополосковым антеннам СВЧ диапазона для применения в радиолокаторах, радиоинтроскопах, медицинских аппаратах, системах приема и передачи информации.

Технический результат заключается в выравнивании амплитуд принимаемых антенной сигналов на различных поляризациях и снижении уровня кроссполяризационных составляющих сигнала, наводимого в ортогональных антенных элементах для диапазона электронного сканирования более ±45°. В качестве резонансного размера, равного длине волны излучения, выбрана длина диагонали квадратной металлической пластины-излучателя, а противофазные возбуждающие элементы ортогональных линейных поляризаций подключены к металлической пластине попарно противофазно по ортогональным диагоналям квадрата. 4 ил.

Планарная антенна двойной поляризации, выполненная в виде квадратной металлической пластины, размещенной над проводящей поверхностью, с подключенными к ней попарно противофазно возбуждающими элементами, отличающаяся тем, что длина диагонали квадратной металлической пластины равна длине волны излучения, а противофазные возбуждающие элементы ортогональных линейных поляризаций подключены к металлической пластине попарно симметрично по ее ортогональным диагоналям.