КОМПАКТНАЯ АНТЕННА КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ С РАСШИРЕННОЙ ПОЛОСОЙ ЧАСТОТ Российский патент 2010 года по МПК H01Q3/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к антеннам и, в частности, к всенаправленным антеннам, которые используются в системе глобальной навигации и определения положения (GPS) и в глобальной навигационной спутниковой системе (GNSS).

Уровень техники

В настоящее время существует множество антенн для GPS применения. Они имеют различное конструктивное выполнение и решают основные задачи приема, возникающие при работе с сигналами GPS. Так, из патента US 6618016, опубл. 2003-09-09, известна антенна 10 для приема сигналов GPS, включающая блок резонатора 12, в котором проводящая верхняя поверхность 14 расположена на определенном расстоянии от нижней поверхности 16. На фиг.1 показана верхняя поверхность 14, расположенная на печатной плате и нижней поверхностью 16 сформированная из слоя металлического материала. Блок резонатора 12 в этой конфигурации также включает вертикальную периферийную проводящую боковую стенку и внутреннее вертикальное проводящее разделение, отделяющее пространство внутри упомянутых четырех секций, одно для каждого элемента щели. Антенна включает четыре элемента щели 21, 22, 23, 24, каждый включает щель в верхней поверхности 12. Каждая щель формируется излучающим элементом с подключенным внутренним крестообразным шлейфом возбуждения, на который подается питание через коаксиальный соединитель, простирающийся через нижнюю поверхность резонатора 12, как будет описано далее. Элементы щели 21-24 выстраиваются раздельно вокруг вертикальной оси 26. Таким образом, элементы щели простираются радиально относительно вертикальной оси и раздельно в азимуте последовательно с 90° угловым смещением. Также имеется четыре изогнутых элемента 31, 32, 33, 34 (несимметричных вибраторов), которые простираются выше верхней поверхности 14 и выстраиваются отдельно вокруг вертикальной оси 26. Каждый из монопольных элементов 31, 32, 33, 34 содержит расположенную вертикально вверх первую часть и вторую часть, простирающуюся внутрь к вертикальной оси. Таким образом, они выстраиваются в двух промежутках противоположных пар с соответствующими вторыми частями каждой пары, простирающейся горизонтально друг к другу. Сборка делителя (моста) 40 представляет собой панель, которая расположена прилегающей к верхней поверхности 14 и центрально к первым частям элементов 31-34. Сборка делителя 40 размещена в пределах контура монопольных элементов и может включать коаксиальные соединители и другие элементы, которые расположены ниже верхней поверхности 14 в центральной части делителя, который отгорожен от индивидуальных частей делителя, используемых для элементов щели 21-24. Делитель 40 соединен с монопольными элементами, чтобы объединять сигналы для всенаправленной диаграммы направленности (ДН) антенны и множества дополнительных ДН. Для этого делитель 40 содержит схему формирования луча, например, делитель может включить схему формирования луча, связанную с каждым из элементов 31-34 и индивидуального порта входа/выхода для каждого из элементов щели 21-24. Технология, раскрытая в патенте US 6618016, имеет сложную конструкцию системы возбуждения и не обеспечивает требуемую полосу пропускания и необходимую азимутальную равномерность ДН.

Таким образом, существует потребность в преодолении этих проблем, для чего предложена конструкция антенны, позволяющая обеспечить требуемую азимутальную равномерность ДН, максимальную полосу пропускания, при этом снизить общий размер и вес антенны.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению предложена компактная антенна круговой поляризации с расширенной полосой частот, содержащая излучатель круговой поляризации, под которым размещено возбуждающее устройство, причем излучатель круговой поляризации расположен над проводящим экраном заданного размера и состоит из набора N сегментов проводящего материала с определенной формой поверхности, а устройство возбуждения выполнено как нерезонансный излучатель, состоящий из проводящей плоской пластинки, расположенной над упомянутым проводящим экраном заданного размера и параллельно ему и двух диэлектрических плат, на которых расположены проводящие элементы системы возбуждения. Две платы ориентированы взаимно перпендикулярно между собой и размещены на упомянутом проводящем экране перпендикулярно к нему, а также соответственно перпендикулярно упомянутой плоской проводящей пластинке, которая оказывается размещенной сверху этих двух плат. В центре каждой платы системы возбуждения имеется по вырезу, с помощью которого они вставлены одна в другую.

На каждой прямоугольной плате с одной ее стороны расположены проводники заданной ширины, которые простираются вдоль контура платы с перемычкой посередине. При этом около каждой короткой стороны платы указанные проводники имеют между собой зазор определенной величины. В каждой плате проводники электрически соединены, например, путем пайки с упомянутой проводящей плоской пластинкой и упомянутым проводящим экраном. С другой стороны каждой платы противоположно упомянутым проводникам заданной ширины расположены проводники заданной длины и ширины, образующие микрополосковые линии. Причем экранами этих микрополосковых линий являются упомянутые выше проводники заданной ширины, расположенные на обратной стороне платы.

Микрополосковые линии на каждой печатной плате образуют делители мощности, которые обеспечивают равноамплитудное и противофазное возбуждение поля в зазорах между упомянутыми металлическими проводниками заданной ширины, расположенных на одной плате.

Каждый равноамплитудный делитель мощности выполнен в виде входной микрополосковой линии с волновым сопротивлением W, которая далее от центра платы по ее контуру разветвляется на две микрополосковые линии равной длины с волновым сопротивлением 2W. Каждая входная микрополосковая линия с волновым сопротивлением W на краю каждой платы системы возбуждения соединена с одним из выходов квадратурного делителя мощности (т.е. делителя, сигналы на выходе которого имеют сдвиг фазы 90°), размещенного, например, на упомянутом проводящем плоском экране заданного размера. Вход квадратурного делителя мощности является входом антенны, который может быть подключен к приемнику или передатчику. Четыре зазора, в которых возбуждается электромагнитное поле (по два на каждой плате), расположены осесимметрично на окружности заданного радиуса.

Входное сопротивление в каждом зазоре обеспечивает оптимальное согласование с микрополосковой линией с волновым сопротивлением 2W. На практике обычно величина W выбирается равной 50 Ом, хотя возможны другие величины.

Противофазное возбуждение поля в каждой паре зазоров, находящихся на одной плате, достигается разнонаправленным включением в эти зазоры проводников, которые являются окончаниями микрополосковых линий, подключенных к выходу делителя.

Для этого первая микрополосковая линия с волновым сопротивлением 2W, расположенная вблизи одной короткой стороны платы системы возбуждения в области платы, противоположной области зазора между проводниками заданной ширины, проходит противоположно упомянутым проводникам заданной ширины и над верхним его окончанием и с помощью металлизированного отверстия в плате замыкается на нижнее его окончание. У противоположной короткой стороны платы соответственно вторая микрополосковая линия с волновым сопротивлением 2W проходит противоположно и над нижним окончанием проводника заданной ширины, где с помощью металлизированного отверстия замыкается на верхнее его окончание.

Как вариант, упомянутые микрополосковые линии с волновым сопротивлением 2W могут не иметь короткого замыкания с проводником заданной ширины, а оканчиваться элементами в виде расширенных площадок, которые вместе с соответствующим им окончанием проводника заданной ширины, расположенным на противоположной стороне платы, образуют конденсатор, емкость которого определяется площадью упомянутых площадок.

Как вариант, в области упомянутых зазоров, образованных окончаниями двух проводников заданной ширины, упомянутые окончания проводников могут сужаться и оканчиваться в форме треугольника или трапеций.

Плоская проводящая пластинка может быть выполнена в виде круга, квадрата или любой другой формы, известной специалисту в данной области техники, и ее габаритный размер составляет порядка 0.15…0.25 λ длины волны сигнала.

Сегменты из проводящего материала являются сегментами выпуклой поверхности, минимальный и максимальный размеры которой ограничены областью, заключенной между двумя сферами (полусферами) определенных радиусов и имеющих общую центральную точку. Набор N сегментов поверхности размещен на диэлектрической поддерживающей опоре соответствующей формы, например полусферы или полуэллипсоида, и другой, которые могут быть выполнены сверху усеченными. Причем каждый из упомянутых N сегментов выполнен сужающимся от нижнего края формы к ее верху. Диэлектрическая опора может быть выполнена и как каркас для скрепления N сегментов поверхности. Между проводящим экраном заданного размера и проводящими сегментами N излучателя круговой поляризации имеется определенный зазор, который может быть сформирован указанной диэлектрической опорой.

Также сверху диэлектрической опоры излучателя круговой поляризации может быть размещен дополнительный сегмент излучателя из проводящего материала заданного размера и определенной формы (круга, квадрата или другой).

Эти и другие аспекты, конструктивные особенности и преимущества предложенного изобретения станут очевидными из следующего детального описания предпочтительных вариантов конструкции, которое должно читаться совместно с сопроводительными чертежами.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 показывает конструкцию известной антенны круговой поляризации.

Фиг.2 показывает общий вид излучателя из восьми полусферических сегментов, который размещен над плоским экраном.

Фиг.3а-3b показывает модель сферического излучателя над плоским экраном с соответствующими параметрами.

Фиг.4 показывает азимутальные диаграммы направленности в экваториальной плоскости (θ=90°) для разного количества секторов N.

Фиг.5 показывает частотные характеристики импеданса сектора для восьми секторов (N=8) для различных значений радиуса излучателя r0.

Фиг.6 показывает частотные характеристики импеданса сектора в составе излучателя из восьми секторов (N=8).

Фиг.7 показывает диаграмму направленности в меридиональной плоскости.

Фиг.8 показывает график зависимости коэффициента стоячей волны от частоты (VSWR).

Фиг.9 показывает вид сбоку в разрезе предложенной компактной антенны круговой поляризации с расширенной полосой частот.

Фиг.10 показывает вид сбоку в разрезе предложенной компактной антенны круговой поляризации с расширенной полосой частот с соответствующими размерами.

Фиг.11 показывает вид сверху печатной платы системы возбуждения.

Фиг.12-14 показывает общий вид сбоку соответствующих сторон двух печатных плат.

Фиг.15 показывает условную схему деления с последовательным 90° фазовым сдвигом.

Фиг.16 показывает общий вид системы возбуждения предложенной компактной антенны круговой поляризации с расширенной полосой частот.

Фиг.17 показывает общий вид излучателя компактной антенны круговой поляризации с расширенной полосой частот, выполненный из восьми полусферических сегментов.

Фиг.18а-с показывает различные формы излучателя компактной антенны круговой поляризации с расширенной полосой частот.

Подробное описание изобретения

Излучатель 21 круговой поляризации расположен над проводящим плоским экраном 20 определенного размера и представляет собой набор из N проводящих сегментов 21а выпуклой поверхности, в частности, в форме полуэллипсоида или полусферы или пирамиды, выполненных, например, из фольги и наклеенных на диэлектрическую поддерживающую опору 22 и скрепленных вместе диэлектрическими элементами 22а.

Частотные свойства и диаграмма направленности излучателя 21 определяются, в первую очередь, геометрическими параметрами выпуклой поверхности, которая задает форму излучающих проводящих сегментов, а также количеством этих сегментов N. Для уменьшения азимутальных неравномерностей электромагнитного поля необходимо увеличивать количество секторов-сегментов, что приводит к уменьшению углового азимутального размера Δφ каждого сектора.

Для оценки свойств антенны круговой поляризации рассмотрим сферическую модель излучателя, где упомянутой выпуклой поверхностью является полусфера. Считая, что сферические сегменты являются достаточно узкими, будем использовать меридиональную составляющую электрического тока j_θ и предположим распределение электрического тока совпадающим с низшим резонансным типом колебаний. Так, геометрические размеры каждого сферического сегмента могут задаваться (фиг.3а-3b) радиусом r₀ от вертикальной оси симметрии антенны, угловыми размерами: по меридиану Δθ, по азимуту Δφ и угловыми координатами меридиану и азимуту соответственно: θ₀ и φ_α. Здесь α=1,2…N - номер сегмента, N - число сегментов. На фиг.2 и 3а-3b изображен случай для N=8. Предполагается, что система сегментов расположена на бесконечном плоском идеально проводящем экране.

Объемная плотность меридионального тока сегмента при низшем резонансном колебании записывается как:

где

δ(x) - дельта-функция.

Так как антенна работает в режиме круговой поляризации, то амплитуды токов каждого сегмента:

Отсюда следует, что токи на противоположных парах сегментов имеют сдвиг фазы π (фиг.3а), т.е. противофазны.

Задача определения электрического и магнитного полей тока с объемной плотностью (1) решается известными методами путем представления функции Грина в виде разложения по сферическим гармоникам [L.Felsen, N.Marcuvitz, Radiation and Scattering of Waves, vol.2, 1973]. Тогда выражение для полного сопротивления тока сегмента j_α имеет вид:

где

Здесь - присоединенные функции Лежандра, - соответственно функция Бесселя и функция Ханкеля второго рода порядка Выражение для диаграммы направленности имеет вид:

В приведенных выражениях учтено наличие зеркальных токов относительно плоского экрана.

Результаты расчетов по формулам (4) и (5) представлены на фиг.4-7.

Так, на фиг.4 показаны азимутальные диаграммы направленности в экваториальной плоскости (θ=90°) для разного количества сегментов N. При увеличении количества сегментов амплитуда азимутальных осцилляций уменьшается. При N=8 азимутальные осцилляции практически отсутствуют.

На фиг.5-6 показаны частотные характеристики импеданса сектора для случая, когда рассматриваемая структура содержит восемь секторов (N=8). По оси абсцисс показано в процентах отклонение частоты относительно центральной частоты диапазона. Частотные свойства системы оценивались из условия равенства нулю реактивной составляющей входного сопротивления.

На фиг.5 показаны кривые для различных значений радиуса r0. При этом угловой размер сегмента Δθ не менялся. При радиусе r0 порядка 0.3λ кривая Im(Z) приобретает выпуклый характер. В этом случае реактивная составляющая импеданса незначительно отличается от нуля в диапазоне частот порядка 50%, что говорит о существенном расширении полосы частот. При уменьшении радиуса r0 резонанс становится узкополосным и смещается в область высоких частот.

На фиг.6 показаны кривые для различных значений углового размера Δθ при фиксированном радиусе r0. При небольших значениях углового размера Δθ реактивная составляющая импеданса имеет емкостный характер. Однако при увеличении Δθ наблюдается уменьшение значения реактивной составляющей с переходом в индуктивную область. При значениях Δθ порядка 80° реактивная составляющая мала в наиболее широкой полосе частот. При дальнейшем увеличении Δθ (т.е. при уменьшении зазора между проводящей поверхностью сегмента и экраном) реактивная составляющая импеданса на центральной частоте становится существенно индуктивной, что затрудняет согласование излучателя с фидером.

На фиг.7 показана диаграмма направленности в меридиональной плоскости, которая имеет слабонаправленный столообразный характер во всей передней полусфере. Это позволяет обеспечить хорошее качество принимаемого сигнала для спутников навигационных систем и систем связи, расположенных под углами, близкими к горизонту.

Таким образом, при величинах радиуса сферы r0=0.3λ расчетные результаты показывают возможность работы излучателя в полосе 50%. При этом угловой размер сектора по меридиональному углу Δθ составляет порядка Δθ=80°. Следует заметить, что при моделировании был сделан ряд допущений, а именно: использовано одномодовое приближение для плотности тока сегментов, не учитывалась его азимутальная составляющая, а также не учитывалось влияние элементов конструкции возбудителя. Поэтому приведенные выше величины размеров носят ориентировочный характер. Далее будут приведены геометрические размеры излучателя, обеспечивающего работу на частотах 1150-1730 мГц, полученные экспериментальным путем.

На фиг.9, 10 показан вид сбоку в разрезе предложенной компактной антенны круговой поляризации с расширенной полосой частот с соответствующими размерами.

Возбуждающее устройство выполнено как нерезонансный пластинчатый излучатель, который представляет собой проводящую плоскую пластинку 55 круглой или квадратной формы, расположенную над экраном 20 параллельно ему, и две платы 51 и 52 системы возбуждения, расположенные перпендикулярно экрану 20 и упомянутой проводящей пластинке 55 в области между ними. Для получения правой круговой поляризации необходимо обеспечить фазовый сдвиг 90° между двумя платами 51 и 52 системы возбуждения 50. Указанный 90° фазовый сдвиг формируют путем использования стандартного квадратурного моста 57.

Так, на фиг.12-14 показаны две платы 51 и 52. Платы 51 и 52 между собой ориентированы взаимно перпендикулярно, как показано на фиг.15. Каждая плата 51 и 52 представляет собой печатную плату (РСВ), например, прямоугольной формы из диэлектрической подложки 5 с двухсторонней металлизацией. Структура металлизированных элементов обоих РСВ плат практически идентична. Так, на одной стороне А платы 51 и 52 расположен широкий металлический проводник 1 заданной ширины, который простирается вдоль ее контура с перемычкой 2 посередине. В области длинных сторон платы 51 и 52 проводник 1 ограничен контуром платы. В области коротких сторон платы 51 и 52 проводник 1 может быть выполнен сужающимся и может иметь форму треугольника 3a-3k или, в частности, равнобедренной трапеции, одна сторона основания которой равна ширине проводника 1, а противоположное основание намного меньше основания со стороны проводника.

Позицией 4a-4d показан зазор между вершинами этих треугольников 3a-3k. На другой стороне В платы 51 и 52 расположен проводник 7, который около центра платы разделяется на два проводника 8, которые образуют микрополосковую линию. При этом экраном микрополосковой линии являются описанные выше проводники 1, 2 и 3a-3k, расположенные на противоположной стороне платы 51 или 52. В центре каждой платы 51 или 52 имеется вырез 6, с помощью этих вырезов платы 51 и 52 вставлены одна в другую. Экраны микрополосковых линий путем пайки соединены с экраном 20 и излучающей пластинкой 55.

Микрополосковые линии 7 и 8 на каждой плате 51 и 52 образуют равноамплитудный делитель мощности, который обеспечивает противофазное возбуждение поля в зазорах 4a-4d между вершинами соответствующих треугольников 3a-3k проводника 1. Делитель мощности выполнен по известной схеме, где микрополосковая линия 7 с волновым сопротивлением W разветвляется на две микрополосковые линии 8 с волновым сопротивлением 2W. Обычно волновое сопротивление W выбирается равным 50 Ом, но может иметь и другие значения. Длины полосков микрополосковых линий 8 с волновым сопротивлением 2W должны быть одинаковы.

Противофазное возбуждение достигается тем, что около одного края платы 51 полосок микрополосковой линии 8 с волновым сопротивлением 2W проходит над верхним треугольником 3а проводника 1 и с помощью металлизированного отверстия 9 замыкается на нижний треугольник 3b, а около противоположного края платы 51 полосок 8 проходит над нижним треугольником 3d и с помощью металлизированного отверстия 9 замыкается на верхний треугольник 3с. Аналогичная конструкция сформирована и для платы системы возбуждения 52 с проводником 1, имеющим окончания в форме треугольников 3e-3k. Такая схема системы возбуждения обеспечивает независимость разности фаз в зазорах 4a-4d от частоты, что позволяет обеспечить противофазный режим в широкой полосе частот.

Как вариант, полоски 8 с волновым сопротивлением 2W могут не оканчиваться коротким замыканием на соответствующее окончание проводника 1 в форме треугольника 3a-3k, а иметь с ним емкостную связь. Для этого полоски 8 оканчиваются емкостными элементами в виде площадок 10. У обоих плат системы возбуждения 51 и 52 полосок 7 микрополосковой линии с волновым сопротивлением доканчивается на краю нижней стороны и соединен с квадратурным делителем мощности 57. Квадратурный делитель мощности 57 может быть выполнен в виде микросхемы и размещен на отдельной печатной плате 60, которая устанавливается на экран 20. Также экраном заданного размера может являться металлическая фольга, расположенная на одной из сторон упомянутой печатной платы 60. Выходы квадратурного моста-делителя 57 соединены с микрополосковыми линиями с волновым сопротивлением W, а упомянутые микрополосковые линии соединены пайкой с упомянутыми микрополосковыми линиями 7 плат 51 и 52.

Можно считать, что в каждом зазоре 4a-4d между вершинами треугольников 3a-3k находится источник стороннего поля, который на фиг.15 обозначен условным значком ~. В каждой плате 51 и 52 расположено соответственно по два зазора 4а, 4b и 4 с, 4d, в которых возбуждается электромагнитное поле. Такая схема деления формирует равноамплитудное поле в зазорах 4a-4d с последовательным сдвигом фазы 90°, тем самым обеспечивает работу излучателя в режиме круговой поляризации.

Для обеспечения равномерности азимутальной ДН количество секторов излучателя предпочтительно выбирать кратное 4, но не ограничиваться этим и можно использовать от N=3 дo l6.

Излучатель 21 имеет с системой возбудителя 50 электромагнитную связь, причем существенное влияние на характеристики антенны оказывает величина зазора между проводящей плоской пластинкой 55 и симметричными сегментами 21а излучателя. Уменьшение зазора приводит к уменьшению резонансного размера излучателя 21. Также существенное значение имеют емкостные связи каждого сегмента 21а с плоским экраном 20, что достигается путем выбора зазора в точках 30а, а также выбором зазора в точке 30b между дополнительным излучающим элементом 40 и излучателем 21.

На фиг.16 показан общий вид сбоку в разрезе предложенной компактной антенны круговой поляризации с расширенной полосой частот. Система возбуждения, как описано, выше имеет Х-образную конструкцию печатных плат платы 51 и 52 каждая с двумя зазорами, в которых возбуждается электромагнитное поле, соответственно 4а, 4b, и 4с, 4d, при этом в упомянутых зазорах делитель мощности обеспечивает противофазное возбуждение поля со сдвигом фазы соответственно 0° и 180° и 90° и 270°. В нижней общей точке 54 соединения плат Х-образная конструкция расположена на плоском экране 20. Причем верхняя 56 и нижняя 54 общие точки соединения плат 51 и 52 располагаются на вертикальной оси симметрии антенны. Плоская проводящая пластинка 55 расположена сверху упомянутой Х-образной конструкции противоположно экрану 20.

На фиг.8 показан экспериментальный график зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (VSWR) от частоты. Видно, что антенна описанной выше конструкции обеспечивает работу в диапазоне 1150-1730 мГц (т.е. в полосе) 40% по уровню VSWR=2.

Предложенная конструкция антенны круговой поляризации, как показано на фиг.10, предпочтительно имеет следующие параметры: r0 - радиус излучателя 21, D - линейный размер или диаметр проводящей пластинки 55, h - высота полоскового излучателя 55 над экранирующей плоскостью 20, r - радиус точки зазора 4а-4d возбуждения от оси симметрии, s - ширина проводника 1.

Параметр r=26 мм +/- 2 мм (0.125λ, здесь и далее λ - длина волны на центральной частоте диапазона 1150-1730 мГц). При большем изменении данного параметра происходит рассогласование и полоса частот пропускания по уровню КСВ=2 на выходе делителя (волновое сопротивление 50 Ом) уменьшается.

Параметр h=20 мм +/- 2 мм (0.096λ). При увеличении высоты полоскового излучателя более чем 22 мм полоса пропускания по уровню КСВ=2 разделяется на два участка. На частотах между этими участками КСВ хуже 2, что приводит к неработоспособности антенны в единой полосе частот. При уменьшении высоты полоскового излучателя полоса частот по уровню КСВ=2 сужается.

Параметр D=40 мм +/- 10 мм (0.192λ). При увеличении диаметра полоскового излучателя полоса пропускания по уровню КСВ=2 уменьшается и вся полоса частот несколько сдвигается вниз. При величинах диаметра более 50 мм (0.24 λ) полоса резко уменьшается за счет возросшей емкостной связи на сферический элемент с 4 парами лепестков.

При уменьшении диаметра полоскового излучателя полоса по уровню КСВ=2 меняется слабо. При величинах диаметра излучателя менее 30 мм (0.144 λ) полоса частот по уровню КСВ=2 распадается на два диапазона. На средней частоте КСВ хуже 2.

На фиг.17 показан вариант выполнения сферических сегментов и диэлектрической опоры.

Позицией 22а показана диэлектрическая опора, разделяющая набор проводящих N сегментов поверхности между собой. Поз. 22с показана диэлектрическая опора, отделяющая набор проводящих N сегментов поверхности от плоского экрана 20 определенного размера.

Фиг.18а-с показывает примеры различных форм поверхностей, сегментами которых образован излучатель 21 антенны.

Излучатель 21 может быть выполнен в виде сегментов выпуклой поверхности, ограниченной областью 100, которая расположена в пространстве между сферой заданного радиуса, вписанной во внешний эллипсоид (как показано на фиг.18а), с общей центральной точкой О. Выпуклая поверхность может быть усеченной сверху отрезком линии d-e для образования соответствующей площадки под размещение дополнительного излучающего элемента 40.

Как вариант форма излучателя 21 имеет вид эллипсоида (показано на фиг.18b), т.е. поверхности в трехмерном пространстве, полученной деформацией сферы вдоль трех взаимно перпендикулярных осей. Каноническое уравнение эллипсоида в декартовых координатах, совпадающих с осями деформации эллипсоида.

Используя различные значения параметров а, b, с, можно создавать соответствующие формы поверхности излучателя 21. Так, излучатель 21 может быть сферическим, т.е. частным случаем эллипсоида при а=b=с, а именно полусферой (как показано на фиг.17) и/или усеченной сверху полусферой (показано на фиг.2); в форме полуэллипсоида, полученного усечением эллипсоида снизу вдоль всей большой его оси; а также иметь форму прямой поверхности. В этом случае излучатель 21 будут представлять собой многоугольник с N сегментами (как показано на фиг.18с, например, N=12), т.е. правильную усеченную пирамиду, боковые грани правильной усеченной пирамиды - равные равнобедренные трапеции, а основания - правильные многоугольники. Использование предложенных форм поверхности излучателя не ограничено вышеизложенными вариантами и может использовать другие примеры поверхностей.

Резюмируя вышеизложенное, следует отметить, что в известных микрополосковых излучателях на воздушной подложке обычно резонансный размер излучающей пластинки составляет порядка 0.4-0.5λ, а полоса микрополосковой антенны в зависимости от толщины подложки обычно составляет 3-10% от центральной частоты диапазона. Особенностью описанной выше системы возбуждения является то, что она работает в нерезонансном режиме. Размер излучающей пластинки 55 системы возбуждения составляет порядка 0.15-0.25λ, то есть ее размер 55 заметно меньше резонансного размера. Нерезонансный режим возбудителя позволяет работать излучающей системе в существенно более широкой полосе частот по сравнению с обычной микрополосковой антенной.

Таким образом, предложенная конструкция антенны круговой поляризации позволяет обеспечить требуемую азимутальную равномерность диаграммы направленности за счет применения достаточно большого количества сегментов излучателя и обеспечить полосу частот 40% от центральной частоты диапазона. Причем предложенная конструкция системы возбуждения и антенной системы такого сегментного излучателя позволяет возбудить требуемое количество излучающих сегментов, не усложняя конструкцию возбуждающего устройства.

Хотя выше были описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что они были представлены только для примера, а не для ограничения. Таким образом, охват и объем настоящего изобретения не должны ограничиваться никакими из вышеописанных вариантов осуществления, но должны определяться только нижеследующей формулой изобретения и ее эквивалентами.

Изобретение относится к антеннам и, в частности, к всенаправленным антеннам, которые применяются в системах GPS и GNSS. Предложена компактная антенна круговой поляризации с расширенной полосой частот, в которой излучатель круговой поляризации 21 расположен над проводящим экраном определенного размера и состоит из набора N сегментов 21а из проводящего материала с определенной формой поверхности. Устройство возбуждения выполнено как нерезонансный излучатель, состоящий из проводящей плоской пластинки, расположенной над экраном 20 и параллельно ему и двух печатных плат, на которых расположены проводящие элементы системы возбуждения, при этом платы ориентированы взаимно перпендикулярно между собой и размещены на экране 20 перпендикулярно к нему, а также соответственно перпендикулярно плоской проводящей пластинке, которая размещена сверху этих двух плат. Микрополосковые линии образуют делители мощности, которые обеспечивают равно амплитудное возбуждение поля в зазорах между упомянутыми проводниками заданной ширины. Предложенная конструкция компактной антенны круговой поляризации с расширенной полосой частот позволяет обеспечить требуемую азимутальную равномерность диаграммы направленности и максимальную полосу частот 40% от центральной частоты диапазона при заданных размерах антенны, что является техническим результатом изобретения. 23 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Антенна круговой поляризации, содержащая возбуждающее устройство, сверху которого размещен излучатель круговой поляризации, отличающая тем, что излучатель круговой поляризации состоит из набора N проводящих сегментов с определенной формой поверхности и расположен над проводящим экраном заданного размера, а возбуждающее устройство представляет собой нерезонансный излучатель, состоящий из проводящей плоской пластинки, расположенной над упомянутым проводящим экраном определенного размера и противоположно ему; и двух диэлектрических плат, ориентированных взаимно перпендикулярно между собой, и на которых расположены проводящие элементы системы возбуждения, причем платы размещены между упомянутым проводящим экраном и упомянутой плоской проводящей пластинкой.

2. Антенна круговой поляризации по п.1, в которой упомянутые две диэлектрические платы размещены на упомянутом проводящем экране перпендикулярно ему.

3. Антенна круговой поляризации по п.1 или 2, в которой упомянутая плоская проводящая пластинка выполнена в форме круга, квадрата или любой другой симметричной относительно оси вращения формы, а ее линейный размер составляет порядка 0.15…0.25λ длины волны сигнала.

4. Антенна круговой поляризации по п.3, в которой количество N проводящих сегментов равно от 3 до 16.

5. Антенна круговой поляризации по п.1, или 2, или 4, в которой на каждой плате с одной ее стороны расположены проводники заданной ширины, которые простираются вдоль контура платы с перемычкой посередине и оканчиваются около края каждой короткой стороны платы.

6. Антенна круговой поляризации по п.5, в которой между упомянутыми окончаниями проводников, расположенных по двум коротким сторонам платы, имеется зазор определенной величины, причем проводники электрически соединены с упомянутой проводящей плоской пластинкой и упомянутым проводящим экраном.

7. Антенна круговой поляризации по п.6, в которой на каждой плате со стороны, противоположной стороне с проводниками определенной ширины, расположен делитель мощности, который в упомянутых зазорах формирует равноамплитудное электромагнтное поле.

8. Антенна круговой поляризации по п.7, в которой четыре зазора на двух платах расположены осесимметрично на окружности заданного радиуса.

9. Антенна круговой поляризации по п.7 или 8, в которой каждый делитель мощности выполнен в виде микрополосковой линии определенной длины и ширины с волновым сопротивлением W, которая разветвляется около центра платы на две микрополосковые линии равной длины с волновым сопротивлением 2W, причем входное сопротивление в зазоре оптимально согласовано волновым сопротивлением 2W микрополосковой линии.

10. Антенна круговой поляризации по п.9, в которой упомянутые две микрополосковые линии равной длины с волновым сопротивлением 2W расположены на одной стороне платы так, чтобы проходить от центра платы противоположно проводникам заданной ширины, расположенным на обратной стороне платы.

11. Антенна круговой поляризации по п.10, в которой упомянутая первая микрополосковая линия с волновым сопротивлением 2W расположена на одной стороне платы вблизи ее короткой стороны так, чтобы проходить противоположно верхнему окончанию проводника заданной ширины и над упомянутыми зазорами, которые расположены на обратной стороне платы, и оканчиваться в области платы, противоположной нижнему окончанию проводника заданной ширины, а вторая микрополосковая линия с волновым сопротивлением 2W расположена на одной стороне платы у противоположной ее короткой стороны так, чтобы проходить противоположно нижнему окончанию проводника заданной ширины и над упомянутыми зазорам, которые расположены на обратной стороне платы, и оканчиваться в области платы, противоположной верхнему окончанию проводника заданной ширины.

12. Антенна круговой поляризации по п.10 или 11, в которой микрополосковые линии с волновым сопротивлением 2W имеют окончания в форме площадок определенной площади.

13. Антенна круговой поляризации по п.12, в которой упомянутые верхние и нижние окончания проводников выполнены сужающимися.

14. Антенна круговой поляризации по п.13, в которой ссужающиеся окончания проводников выполнены в форме треугольника и оканчиваются вершиной треугольника, между которыми имеется упомянутый зазор.

15. Антенна круговой поляризации по п.10, или 11, или, 14, в которой первая микрополосковая линия с волновым сопротивлением 2W, имеющая окончание в области платы, противоположной нижнему окончанию проводника заданной ширины, замыкается на упомянутое окончание проводника заданной ширины с помощью металлизированного отверстия в плате, и вторая микрополосковая линия с волновым сопротивлением 2W, имеющая окончание в области платы, противоположной верхнему окончанию проводника заданной ширины, замыкается на упомянутое окончание проводника заданной ширины с помощью соответствующего металлизированного отверстия в плате.

16. Антенна круговой поляризации по п.9, в которой упомянутые микрополосковые линии с волновым сопротивлением W каждой платы соединены с выходом квадратурного делителя мощности, вход которого является входом антенны.

17. Антенна круговой поляризации по п.16, в которой квадратурный делитель мощности размещен на отдельной печатной плате, которая устанавливается на упомянутый проводящий экран определенного размера.

18. Антенна круговой поляризации по любому из пп.1, 4, 6, 7, 8, 10, 11, 13, 14, 16, 17, в которой упомянутыми проводящими N сегментами являются сегменты выпуклой поверхности, минимальный и максимальный размеры которой ограничены областью, заключенной между двумя полусферами определенных радиусов и имеющими общую центральную точку.

19. Антенна круговой поляризации по п.18, в которой выпуклая поверхность имеет сверху усечение.

20. Антенна круговой поляризации по п.18, в которой выпуклая поверхность имеет форму полусферы или полуэллипсоида, а каждый из упомянутых N сегментов выполнен сужающимся от нижнего края формы к ее верху.

21. Антенна круговой поляризации по п.18, в которой упомянутые N сегменты размещены на диэлектрической поддерживающей опоре соответствующей формы.

22. Антенна круговой поляризации по п.21, в которой между проводящим экраном заданного размера и излучателем имеется определенный зазор, сформированный упомянутой диэлектрической опорой.

23. Антенна круговой поляризации по п.21 или 22, в которой диэлектрическая опора размещена на упомянутом проводящем экране определенного размера и выполнена, как каркас, для скрепления упомянутых N сегментов излучателя.

24. Антенна круговой поляризации по п.23, в которой сверху диэлектрической опоры излучателя круговой поляризации размещен дополнительный сегмент излучателя из проводящего материала определенного размера и определенной формы.