КОМПАКТНАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА С РАСШИРЕННОЙ ПОЛОСОЙ ЧАСТОТ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ЭФФЕКТА МНОГОЛУЧЕВОГО ПРИЕМА СИГНАЛОВ Российский патент 2011 года по МПК H01Q21/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к антеннам, в частности к микрополосковым антеннам для глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS). Системы GNSS позволяют быстро определить свое местоположение с высокой точностью в любой точке земной поверхности вне зависимости от погодных условий.

Уровень техники

В настоящее время применение микрополосковых антенн (МПА) для GNSS требует обеспечения широкой полосы пропускания, что необходимо для обеспечения приема сигнала на двух различных частотах со спутников, принадлежащих различным системам позиционирования, таких как GPS, ГЛОНАСС, Galileo и др.

В известных микрополосковых антеннах есть ряд недостатков. В частности, при приеме сигналов от спутников в силу различной геометрии распространения сигнала и наличия отраженных сигналов от земли и различных объектов возникает эффект многолучевого приема сигнала. Так полученный антенной сигнал представляет собой комбинацию прямого сигнала и отраженного сигнала. Наличие последнего приводит к искажению амплитуды и фазы принятого сигнала, что негативно сказывается на работе антенной системы.

Для эффективной работы антенна должна обеспечивать в требуемой полосе частот ряд характеристик, таких как коэффициент стоячей волны (КСВ) и заданные свойства диаграммы направленности. Так, для оценки способности антенны подавлять отраженный от подстилающей поверхности сигнал применяют отношение down/up, т.е. D/U(θ)=

Указанная характеристика D/U(θ) равна отношению уровня диаграммы направленности (ДН) в задней полусфере под каким-либо углом к уровню ДН в передней полусфере под зеркальным углом. На практике для оценки частотных свойств часто используется параметр D/U(θ) по углу 90°, который принято называть зенит D/U(90).

Обычно для уменьшения эффекта многолучевого приема используют плоский экран больших размеров или применяют конструкции типа глушащих колец (choke ring). Однако такие конструкции имеют большие габариты и вес.

Для уменьшения размеров антенной системы при сохранении коэффициента D/U(θ) по углу 90° в соответствующих пределах известно техническое решение WO 2004027920, опуб.01.04.2004 - [1], в котором раскрыта антенная система GPS для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов, включающая: приемную антенну 10, которая содержит диэлектрическую подложку 12, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, антенный элемент 11, расположенный на, по крайней мере, части первой поверхности подложки 12, и проводящую экранирующую плоскость 13, расположенную на второй поверхности подложки 12. Антенный элемент 11 и экранирующая плоскость 13 все вместе формируют обычную конфигурацию антенны. Приемная антенна 10 включает проводящий проводник 15, сформированный в антенном элементе 11 через диэлектрическую подложку 12, и простирается в, по крайней мере, второй поверхности подложки 12. Апертура 14 сформирована в экранирующей плоскости 13 и изолируют проводник 15 и экранирующую плоскость 13. Апертура 14 предпочтительно расположена концентрически около проводника 15, чтобы сформировать коаксиальный интерфейс и сигнальный порт. Пассивная антенна 20 включает диэлектрическую подложку 22, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, антенный элемент 21, расположенный на, по крайней мере, части первой поверхности подложки 22, и проводящую экранирующую плоскость 23, расположенную на второй поверхности подложки 22. Антенный элемент 21 и экранирующая плоскость 23 все вместе образуют обычную конфигурацию антенны. Пассивная антенна 20 включает сквозное отверстие 25, сформированное через диэлектрическую подложку 22 от антенного элемента 21 к экранирующей плоскости 23. Сквозное отверстие 25 снабжено, чтобы коаксиальный кабель мог быть направлен от заземленного корпуса 18 к внешним потребителям. Заземленный корпус 18 предпочтительно используется, чтобы поместить и электрически экранировать малошумящий усилитель 16 (МШУ), как показано в общем виде в разрезе на фиг.1. Вывод МШУ может быть соединен с коаксиальным кабелем 17, который, в свою очередь, направлен к внешним потребителям.

Такая антенна имеет достаточно эффективную конструкцию, которая позволяет уменьшить эффект многолучевого приема сигнала, а также обеспечить достаточную ширину полосы частот по КСВ. Однако данная конструкция имеет ряд недостатков, а именно: имеет узкую полосу частот по Down/Up 90°, т.е. у нее при заданных размерах относительно узкий диапазон рабочих частот, в котором обеспечивается подавление многолучевого сигнала; у нее большой вес и высокая стоимость, поскольку используются диэлектрические основания на каждом уровне многоярусной конструкции. Также в такой конструкции для размещения дополнительных элементов, например платы с МШУ, используется отдельный уровень, как показано на фиг.1, с экранируемой поверхностью или отдельным экраном 18, что приводит к увеличению высоты антенной системы в целом.

Известно, что рабочая полоса частот определяется высотой расположения излучающей пластинки над экранирующей пластинкой или объемом резонатора электромагнитных колебаний, т.е. объемом, заключенным между излучающей пластинкой и экранирующей пластинкой. Существует несколько способов увеличения рабочей полосы частот антенны, например увеличение толщины диэлектрического основания. Однако такое увеличение толщины диэлектрика соответственно увеличит и массу антенны, поскольку масса диэлектрика определяет массу конструкции антенны в целом. Другими способами являются: применение связанных резонаторов, цепей согласования на микрополосковых линиях. Однако такие решения имеют дополнительные конструктивные элементы и достаточно сложную конструкцию.

Также из уровня техники известно техническое решение - Matthias K. Fries, Rudiger Vahldieck; Small microstrip patch antenna using slow-wave structure, 2000 IEEE Int. Antennas Propagat. Symp. Dig. vol.2, pp.770-773, July 2000 - [2], направленное на решение проблемы обеспечения компактности микрополосковой антенны, не используя при этом диэлектрик. В нем предложена микрополосковая антенна (фиг.2 вид сверху), в которой уменьшение размера антенны достигается использованием замедляющей структуры - набора крестообразных щелей 30 на излучателе и экранирующей пластинке. Такая антенна имеет небольшой вес и размеры, но достаточно сложную конструкцию, а наличие щелей не позволяет: создать многоярусную конструкцию антенны и разместить на ней дополнительные элементы, например плату с МШУ или GPS приемник.

Таким образом, существует потребность в преодолении вышеуказанных проблем. Для этого предложена конструкция антенной системы, позволяющая по сравнению с известной конструкцией [1] снизить общий вес антенны, поскольку не применяется диэлектрик; обеспечить дополнительное расширение полосы частот как по КСВ, а также и по отношению Down/Up 90° за счет использования особой конструкции нижнего антенного элемента и особенностей предложенных загнутых элементов на пластинках, в тоже время по сравнению с известной конструкцией [2] обеспечить простоту изготовления и настройки, низкую стоимость антенны, а также возможность размещения внутри объема резонатора антенны дополнительного уровня с печатной платой МШУ или GPS приемником, а также возможность размещения GPS приемника в отдельном уровне, который представляет собой замкнутую полость пластинки нижнего антенного элемента.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению предложена антенная система для приема радиосигнала, содержащая: верхний антенный элемент и соосно расположенный под ним нижний антенный элемент. Верхний антенный элемент состоит из: излучающей пластинки, расположенной противоположно и над экранирующей пластинкой, которая является экраном по отношению к излучающей пластинке, и системы возбуждения, оканчивающейся сигнальным портом, который предназначен для ввода/вывода радиосигналов, полученных упомянутой антенной системой.

Нижний антенный элемент состоит из экранирующей пластинки, под которой противоположно ей расположена пластинка, причем упомянутая экранирующая пластинка является экраном для этой пластинки. Нижний антенный элемент размещен так, чтобы экранирующая пластинка верхнего антенного элемента располагалась вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки нижнего антенного элемента. Таким образом, излучающая пластинка верхнего антенного элемента расположена ближе к экранирующей пластинке нижнего антенного элемента, чем к пластинке нижнего антенного элемента.

Нижний антенный элемент имеет аналогичную (зеркальную) конструкцию верхнего антенного элемента. При этом его габаритные размеры могут отличаются от размеров верхнего антенного элемента и определяются при настройке антенны.

В качестве системы возбуждения могут использоваться возбуждающие штыри, микрополосковые линии и т.д. Для создания линейной поляризации используют штыревой возбудитель. Для возбуждения круговой поляризации возбуждение излучающей пластинки осуществляют посредством системы возбуждения, состоящей, например, из: возбуждающих штырей и моста, который размещен, например, с внутренней стороны пластинки. Мост обеспечивает в широкой полосе частот необходимый фазовый сдвиг между выходными сигналами. Для круговой поляризации можно использовать два штыря, проходящих сквозь пластинки антенны и соединяющих выход моста с излучающей пластинкой - излучателем.

Следует отметить, что под сигнальным портом понимается местоположение, где радиосигналы, полученные антенной, доступны для использования, например, в малошумящем усилителе или коаксиальном кабеле.

Верхний антенный элемент имеет сигнальный порт, который осуществляет электрическую взаимосвязь с ним, а в нижнем антенном элементе сигнальный порт отсутствует. Возбуждение верхнего антенного элемента осуществляется посредством штыря возбуждения. Нижний антенный элемент возбуждается путем электромагнитного взаимодействия с верхним антенным элементом. Таким образом, верхний и нижний антенный элемент имеют различную степень электромагнитного взаимодействия с сигнальным портом, причем эти соответствующие степени взаимодействия отличны друг от друга.

Подавление многолучевого сигнала в предложенной антенной системе осуществляется путем электромагнитного взаимодействия верхнего антенного элемента с нижним антенным элементом. Для этого их располагают на определенном расстоянии друг от друга. На нижнем элементе возникают наведенные токи, за счет настройки антенны поле этих токов в области нижней полусферы оказывается в противофазе с полем токов верхнего элемента. Таким образом, амплитуды полей токов в задней полусфере антенны вычитаются, тем самым уменьшая уровень ДН в задней полусфере, обеспечивая подавление отраженного многолучевого сигнала.

Для уменьшения размера антенны и расширения полосы частот без использования диэлектрика предложено, по меньшей мере, с двух сторон или на двух противоположных краях пластинок верхнего и/или нижнего антенного элемента выполнить емкостные элементы. Емкостные элементы выполнены в виде загнутых элементов. Загнутые элементы представляют загнутые внутрь конструкции антенны элементы пластинки в виде: ребер, или зубцов, или гребенок, или штырьков. Они имеют определенную поверхностную форму и площадь и расположены по краям периметра излучающей пластинки, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки, и/или второй экранирующей пластинки нижнего антенного элемента в различном их сочетании. Элементы загнуты так, чтобы располагаться вертикально или ортогонально по отношению к пластинкам, из которых они загнуты.

При работе в режиме линейной поляризации загнутые элементы следует располагать так, чтобы плоскость и линия их размещения находилась вдоль Н-плоскости верхнего антенного элемента, т.е. вдоль оси у, как показано на фиг.6. Вдоль Е-плоскости, т.е. оси x, элементы отсутствуют. Для нижнего антенного элемента элементы расположены симметрично Н-плоскости. Такие загнутые элементы имеют определенную высоту 1 загиба от основания пластики. Как вариант, высота 1 загнутого элемента короче, чем длина пластинки b.

Для антенны, работающей в режиме линейной поляризации, загнутые элементы могут быть выполнены как ребра определенной протяженности. Ребра располагают по двум противоположным краям пластинок на одной общей линии и в одной плоскости для каждого края соответственно. Также элементы могут представлять собой набор отдельных элементов ребер - двумерно-периодической системы ребер, который располагают по двум краям пластинок или по всему периметру пластинок.

Для антенны, работающей в режиме круговой поляризации, загнутые элементы расположены по всему периметру краев пластинок антенны. В таком случае элементы в плоскости их расположения, которые для одной поляризации располагались вдоль Н плоскости для ортогональной поляризации, окажутся расположенными вдоль Е плоскости и наоборот. При этом для обеспечения режима круговой поляризации загнутые элементы выполнены в виде раздельных элементов - двумерно-периодической системы ребер, таких как гребенки, набор зубцов, штырьков, которые расположены по соответствующему периметру излучающей пластинки, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента.

Протяженность загнутого ребра или двумерно-периодической системы ребер может быть равна или быть меньше длины пластинки, из которой он загнут. Каждый элемент двумерно-периодической системы ребер имеет определенный поперечный размер и представляет собой штырек, зубец любой формы (цилиндрической, прямоугольной или др.). Элемент (штырек) имеет определенную ширину w, высоту 1 от пластинки, из которой он загнут, и расстояние d между элементами двумерно-периодической системы ребер. Как пример, расстояние d между элементами может составлять порядка 0,1…3 и более от ширины w одного элемента, но неограниченно этим.

Загнутые элементы излучающей пластинки, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента выполнены загнутыми внутрь антенны так, чтобы располагать соответственно внешне или внутренне на определенном расстоянии по отношении к другим противоположно им расположенным элементам, загнутым соответственно из экранирующей пластинки, и/или излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента. Такие загнутые по краям внешние элементы как вариант выполнены таким образом, чтобы они были продолжены до уровня соответственно противоположной пластинки.

Загнутые элементы могут быть далее продолжены как внутрь, так и наружу конструкции соответствующего верхнего или нижнего антенного элемента так, чтобы располагаться на определенном протяжении противоположно соответственно основанию пластинки, из которых они загнуты.

Пластинки могут быть выполнены из листового проводящего материала в форме круга, квадрата или другой симметричной формы. Загнутые элементы формируют, например, припаивая их к основанию пластинки, или выполняют на краях пластинки посредством загиба краев листового материала.

Для уменьшения размера излучателя предпочтительно использовать полное перекрытие между противоположными элементами, загнутыми на соответствующих краях пластинок. При этом каждый элемент двумерно-периодической системы ребер имеет определенную область пространства (площадь) перекрытия на его окончании, которая образована между расположенным напротив него элементом двумерно-периодической системы ребер противоположной пластинки.

Загнутые элементы двумерно-периодической системы ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента выполнены смещенными на определенное расстояние относительно противоположных им загнутых элементов, расположенных соответственно на экранирующей пластинке верхнего антенного элемента, и/или излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента.

Загнутые элементы двумерно-периодической системы ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента располагают в промежутках между элементами двумерно-периодической системы ребер противоположной пластинки, т.е. между элементами экранирующей пластинке верхнего антенного элемента, и/или излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента.

Антенная система обеспечивает заданную полосу частот в диапазоне L1 (1215-1256 MГу) и L2 (1520-1615) MГу, при этом обеспечивается коэффициент Down/Up 90°, меньше - 15 дБ.

В нижнем антенном элементе, в пространстве между пластинкой и экранирующей пластинкой размещена дополнительная печатная плата со схемой обработки сигнала, например плата с МШУ или GPS приемником, которая может располагаться в экране.

Также согласно изобретению предложена двухдиапазонная антенная система для приема радиосигнала, содержащая: двухдиапазонный верхний антенный элемент, под которым соосно с ним расположен двухдиапазонный нижний антенный элемент, каждый из которых выполнен в форме двухэтажерчатой конструкции.

Двухдиапазонный верхний антенный элемент состоит из: излучающей пластинки первого частотного диапазона, излучающей пластинкой второго частотного диапазона, двух экранирующих пластинок первого и второго частотного диапазона, которые служат экраном для соответствующих излучающих пластинок, а также системы возбуждения. Излучающие и экранирующие пластинки для соответствующих диапазонов расположены противоположно и отделены друг от друга на определенное расстояние, которое определяется рабочим диапазоном частот. Каждая экранирующая пластинка соответствующего диапазона расположена под излучающей пластинкой своего диапазона. Так, верхняя излучающая пластинка первого диапазона расположена над экранирующей пластинкой для первого диапазона. Экранирующая пластинка первого диапазона размещена вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности нижней излучающей пластинки второго диапазона. Снизу нижней излучающей пластинки второго диапазона расположена ее экранирующая пластинка второго диапазона.

Система возбуждения для каждого диапазона состоит, в частности, из двух штырей возбуждения, которые соединяются посредством линии передачи со схемой деления мощности, которая оканчивается соответствующим сигнальным портом. Сигнальный порт предназначен для ввода/вывода сигналов соответствующих частотных диапазонов, полученных/переданных упомянутой антенной системой. Так, верхняя излучающая пластинка первого диапазона электрически соединена с первым сигнальным портом, а соответствующий ей нижний антенный элемент первого диапазона не соединен с первым сигнальным портом. В свою очередь, нижняя излучающая пластинка второго диапазона электрически взаимосвязана и соединена со вторым сигнальным портом соответствующего второго диапазона. Нижний антенный элемент второго диапазона не соединен со вторым сигнальным портом.

Нижний двухдиапазонный антенный элемент имеет аналогичную конструкцию расположения пластинок по отношению к верхнему двухдиапазонному антенному элементу.

Двухдиапазонный нижний антенный элемент состоит из: двух экранирующих пластинок второго и первого частотного диапазона и пластинки второго частотного диапазона, и пластинки первого частотного диапазона. Соответствующие пластинки и экранирующие пластинки для соответствующих диапазонов расположены противоположно и отделены друг от друга на определенное расстояние, которое определяется рабочим диапазоном частот и настройкой антенной системы.

Причем под экранирующей пластинкой второго частотного диапазона размещена пластинка второго частотного диапазона. Пластинка второго частотного диапазона, в свою очередь, размещена вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки первого частотного диапазона. Снизу экранирующей пластинки первого частотного диапазона расположена нижняя пластинка первого частотного диапазона.

Двухдиапазонный верхний антенный элемент размещен на, по меньшей мере, части поверхности двухдиапазонного нижнего антенного элемента таким образом, что экранирующая пластинка для второго диапазона верхнего антенного элемента размещена вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки второго частотного диапазона нижнего антенного элемента.

Подавление многолучевого приема в такой антенной системе происходит за счет электромагнитного взаимодействия верхнего и нижнего антенного элемента соответствующего диапазона. Для этого их располагают на определенном расстоянии друг от друга. Таким образом, излучающая пластинка первого частотного диапазона верхнего антенного элемента и пластинка первого частотного диапазона нижнего антенного элемента имеют соответствующую и различную степень электромагнитного взаимодействия (связи) с первым сигнальным портом, причем эти степени взаимодействия отличны друг от друга. А излучающая пластинка второго частотного диапазона верхнего антенного элемента и пластинка второго частотного диапазона нижнего антенного элемента имеют свою соответствующую степень электромагнитного взаимодействия (связи) со вторым сигнальным портом, причем эти соответствующие степени взаимодействия отличны друг от друга.

На пластинках двухдиапазонного верхнего и нижнего антенного элемента выполнены, по меньшей мере, с двух сторон или на двух противоположных краях загнутые внутрь конструкции антенны емкостные элементы. Элементы выполнены в виде: ребер, зубцов, гребенок, штырьков. Они загнуты внутрь антенны вертикально по отношению к пластинкам верхнего и нижнего антенного элемента.

Загнутые элементы выполнены на двухдиапазонном верхнем антенном элементе: верхней излучающей пластинке первого частотного диапазона, и/или экранирующей пластинке первого частотного диапазона, и/или нижней излучающей пластинке второго частотного диапазона, и/или экранирующей пластинке второго частотного диапазона. Также загнутые элементы расположены и на двухдиапазонном нижнем антенном элементе: пластинке второго частотного диапазона, и/или экранирующей пластинке второго частотного диапазона, и/или нижней пластинке первого частотного диапазона, и/или экранирующей пластинке первого частотного диапазона. Таким образом, емкостные элементы могут иметь различную комбинацию расположения на соответствующих пластинках.

Для обеспечения режима линейной поляризации загнутые элементы располагают так, чтобы плоскость и линия их размещения находилась вдоль Н-плоскости двухдиапазонного верхнего антенного элемента, т.е. вдоль оси у. Вдоль Е-плоскости, т.е. оси x, емкостные элементы отсутствуют. Для двухдиапазонного нижнего антенного элемента элементы расположены симметрично, т.е. вдоль Н-плоскости.

Для обеспечения режима круговой поляризации загнутые элементы выполнены в виде: раздельных емкостных элементов - двумерно-периодической системы ребер, таких как: гребенок, зубцов, коротких штырьков, которые расположены по всему соответствующему периметру соответствующих пластинок двухдиапазонного верхнего антенного элемента и двухдиапазонного нижнего антенного элемента.

В двухдиапазонной антенной системе загнутые элементы для каждого соответствующего диапазона верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента выполнены по любому из описанных выше вариантов для однодиапазонной антенны.

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

Краткое описание чертежей

Фиг.1 показывает конструкцию известной антенной системы для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов.

Фиг.2 показывает конструкцию известной МПА с расширенной полосой частот.

Фиг.3а показывает эквивалентную схему модели антенны линейной поляризации как отрезка микрополосковой линии.

Фиг.3b показывает эквивалентную схему для случая включения параллельной концевой емкости.

Фиг.4 показывает график зависимости функции зависимости добротности от эквивалентного замедления.

Фиг.5 показывает ориентацию векторов Е и Н полей для случая, когда штырь возбуждения расположен на оси х.

Фиг.6 показывает конструкцию антенной системы линейной поляризации для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в расширенной полосе частот, в которой емкостные элементы выполнены в виде ребра длиной, равной длине пластинки b, и расположены вдоль Н-плоскости.

Фиг.6а-6h показывает антенную систему линейной поляризации с различными вариантами расположения ребер.

Фиг.7 показывает конструкцию широкополосной антенной системы линейной поляризации для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов, в которой емкостные элементы выполнены в виде набора раздельных элементов ребер длиной меньшей, чем длина пластинки и расположенных вдоль Н-плоскости.

Фиг.7а-7k показывает антенную систему линейной поляризации с различными вариантами расположения раздельных емкостных элементов.

Фиг.8 показывает вид в поперечном разрезе однодиапазонной широкополосной антенной системы линейной поляризации для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в расширенной полосе частот.

Фиг.9 показывает конструкцию антенной системы круговой поляризации для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в расширенной полосе частот, в которой емкостные элементы располагаются вдоль всего периметра пластинок.

Фиг.9а-9k показывает конструкцию предложенной антенной системы антенны круговой поляризации с различными вариантами расположения раздельных емкостных элементов.

Фиг.10 показывает эквивалентную схему модели антенны как отрезка микрополосковой линии.

Фиг.11а показывает цепочечную структуру четырехполюсников эквивалентной схемы модели антенны круговой поляризации.

Фиг.11b показывает четырехполюсник, содержащий отрезок линии.

Фиг.12 показывает вид в поперечном разрезе многоярусной двухдиапазонной широкополосной антенной системы для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов.

Фиг.13 показывает общий вид сборки предложенной конструкции двухдиапазонной антенной системы.

Фиг.14 показывает вид в разрезе предложенной конструкции двухдиапазонной антенной системы.

Фиг.15 показывает вид в разрезе системы питания предложенной двухдиапазонной антенной системы.

Фиг.16 показывает вид сверху предложенной двухдиапазонной антенной системы.

Фиг.17 показывает вид платы с МШУ (вид снизу на уровне нижнего антенного элемента).

Фиг.18 показывает график зависимости Down/Up ratio в полосе частот двух диапазонов L1 и L2 прототипа и предложенной конструкции двухдиапазонной антенной системы.

Фиг.19а-19b показывает вариант выполнения компактной двухдиапазонной антенной системы для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов с GPS приемником, размещенным в замкнутой полости, которая составляет пластинку нижнего антенного элемента.

Подробное описание изобретения

Для создания компактной конструкции антенной системы необходимо уменьшить резонансный размер пластинок. Простое увеличение диэлектрической проницаемости ε подложки приводит к сужению рабочей полосы частот. Для реализации антенны с расширенной полосой частот толщина диэлектрического основания должна быть увеличена, тем самым отделяя излучающую пластинку от экранирующей пластинки большим расстоянием. Однако такое увеличение толщины приводит к увеличению веса антенны. Поэтому необходимо уменьшить резонансный размер излучающей пластинки, не используя при этом диэлектрик между излучающей и экранирующей пластинкой, при этом обеспечить максимальную простоту конструкции антенны.

Для этого предложено по краям пластинок выполнить емкостные элементы, представляющие собой загнутые элементы определенного размера и площади поверхности. Предпочтительно элементы необходимо загнуть внутрь объема антенны. Элементы могут быть выполнены в виде: ребер определенной высоты и длины, или отдельного периодического набора - двумерно-периодической системы ребер, зубцов, штырьков или гребенок и других подобных элементов.

Для анализа такой конструкции микрополосковой антенны, работающей в режиме линейной поляризации и оценки добротности рассмотрим ее как модель антенны в виде короткозамкнутого отрезка микрополосковой линии длиной менее четверти длины волны David М. Pozar and Daniel Н. Schaubert, Microstrip Antennas: The Analysis and Design of Microstrip Antennas and Arrays, Wiley-IEEE Press, New York, 1995 - [3]. Это объясняется тем, что в полуволновом отрезке удваивается как запас реактивной мощности, так и сопротивление излучения.

Эквивалентная схема в виде отрезка линии, одна сторона которого закорочена, а другая нагружена на сопротивление R, показана на фиг.3а-b.

Линия имеет длину L, волновое сопротивление W и замедление β, связанное с эффективной диэлектрической проницаемостью подложки ε_eff как

Полная проводимость относительно клемм А-А будет

где

Постоянная распространения

ω - круговая частота, с - скорость света в пустоте.

Вблизи резонансной частоты ω₀, для которой

В(ω₀)=0

Очевидно, имеем

Δω - расстройка частоты Δω=ω-ω₀

Откуда добротность

Производная в формуле (6) вычисляется следующим образом

Поэтому добротность

Для излучателя с формой, близкой к квадратной, ширина пластинки w уменьшается пропорционально росту замедления

где через w(1) обозначена ширина квадратного излучателя при воздушной подложке, когда β=1.

Сопротивление излучения торцевой кромки

где λ - длина волны в пустоте.

Обозначая толщину подложки через h, для волнового сопротивления Т-волны в пренебрежении кромочным эффектом имеем

Поэтому добротность

Эквивалентная схема для случая включения параллельной концевой емкости изображена на фиг.3а.

Полная входная проводимость в сечении А-А

Условие резонанса на частоте ω₀

Вводят коэффициент укорочения резонансного размера - это отношение резонансного размера излучающей пластинки при наличии укорачивающих его элементов (диэлектрика или концевых емкостей) к резонансному размеру излучающей пластинки при отсутствии упомянутых элементов, и он равен эквивалентному замедлению - β. Учитывая, что в отсутствие емкости резонансный размер составит , имеем

λ₀ - резонансная длина волны.

Отсюда условие резонанса перепишется в виде

где Х_C0 - емкостное сопротивление на резонансной частоте.

Далее имеем

Откуда добротность

Снова рассматривая антенну с формой, близкой к квадратной, аналогично (9)-(13) имеем

График зависимости функции в квадратных скобках, дающей зависимость добротности от эквивалентного замедления, показан на фиг.4.

На указанном графике пунктирной линией показана зависимость добротности от замедления для случая сплошного диэлектрика.

Можно отметить, что при достаточно больших β

Эта асимптотика показана на той же фиг.4 точками. Таким образом, уже при замедлениях порядка 1,5 добротность составляет приблизительно 0,8 от ранее рассмотренных случаев диэлектрического заполнения (13). Следовательно, сокращение резонансного размера с помощью концевой емкости обеспечивает приблизительно 20% и более расширение полосы пропускания по сравнению со сплошной диэлектрической подложкой, не увеличивая при этом габаритный размер микрополосковой антенны.

В соответствии с вышеизложенными расчетами предложена конструкция антенной системы для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в широкой полосе частот, в которой излучающая пластинка и ее экранирующая пластинка верхнего антенного элемента отделены друг от друга на определенное расстояние, образуя при этом воздушное пространство между ними. Система возбуждения формирует в верхнем антенном элементе высокочастотные колебания определенного типа. Пластинка нижнего антенного элемента соответственно отделена от экранирующей пластинки нижнего антенного элемента на заданное расстояние воздушным пространством.

Емкостные элементы предложено выполнять в виде загнутых элементов, которые имеют различную форму и варианты загиба и расположения по краям пластинок. Так, емкостные элементы выполнены на верхнем антенном элементе и нижнем антенном элементе. Таким образом, загнутые элементы расположены, по меньшей мере, по двум краям излучающей пластинки и/или экранирующей пластинке верхнего антенного элемента. Также загнутые элементы расположены, по меньшей мере, по двум краям пластинки и/или экранирующей пластинке нижнего антенного элемента.

Для обеспечения работы антенны в режиме линейной поляризации загнутые элементы выполнены, в виде: ребер заданной протяженности, которые распложены вдоль краев излучающей пластинки верхнего антенного элемента параллельно Н-плоскости, а также ребер вдоль соответствующих краев экранирующей пластинки верхнего антенного элемента параллельно Н-плоскости. Для нижнего антенного элемента ребра расположены вдоль краев пластинки и экранирующей пластинки нижнего антенного элемента, симметрично Н-плоскости, т.е. вдоль оси у, как проиллюстрировано на фиг.6, 6a-6h. Как вариант, емкостные элементы выполнены как двумерно-периодическая система ребер, представляющая собой набор более коротких отдельных ребер - гребенок, как показано на фиг.7, 7а-7k. При этом длина этих элементов, их высота и количество определяют общую эквивалентную емкость. Причем для уменьшения резонансного размера антенны необходимо обеспечить большую площадь перекрытия элементов со стороны излучающей пластинки и экранирующей пластинки. Соответственно, наименьший резонансный размер дает конструкция антенной системы со сплошным ребром, показанная на фиг.6, 6a-6h.

Предложенные варианты выполнения на пластинках соответствующих загибов позволяют расширить полосу пропускания антенны и использовать при этом всю поверхность излучающей пластинки для установки на них других элементов конструкции.

Для круговой поляризации емкостные элементы должны быть выполнены как двумерно-периодическая система отдельных ребер - гребенок, как проиллюстрировано на фиг.9.

Система возбуждения антенной системы может быть выполнена в виде: полосковых линий, коаксиального кабеля и другим известным специалисту способом. Так, для создания линейной поляризации можно использовать штыревой возбудитель. Для возбуждения круговой поляризации используют, по меньшей мере, один штырь возбуждения, подключенный к выходу делителя (моста).

В варианте на фиг.6 предложена конструкция антенной системы линейной поляризации, в которой емкостные элементы расположены вдоль Н-плоскости, т.е. оси у. Вдоль Е-плоскости, т.е. оси х, емкостные элементы отсутствуют. Конструктивные элементы, которые поддерживают излучающую пластинку над экраном на этих фигурах, не показаны. Это могут быть, например, тонкие изолирующие проставки, не вносящие существенных изменений в электрические характеристики антенны.

Антенная система содержит: экранирующую пластинку 601 верхнего антенного элемента, сверху которой на определенном расстоянии от нее расположена излучающая пластинка 602 верхнего антенного элемента, которая возбуждается с помощью коаксиального кабеля или штыря 604, а также экранирующую пластинку 605 нижнего антенного элемента, снизу которой располагается пластинка 606 нижнего антенного элемента. Первая экранирующая пластинка 601 размещена на, по меньшей мере, части поверхности второй экранирующей пластинки 605.

На двух противоположных краях излучающей пластинки 602 и/или двух противоположных краях экранирующей пластинки 601 (не показано) выполнены отдельно расположенные друг от друга и загнутые внутрь антенны вертикальные ребра 603. Длина этих ребер 603 равна длине пластинки, на которых они размещены, а плоскость и линия расположения каждого упомянутого ребра расположены вдоль Н-плоскости антенны. Загнутые на пластинках ребра имеют определенную высоту от основания пластинки. Высота ребра как вариант должна обеспечивать зазор между этим ребром и противоположной пластинкой или ее ребром.

На двух противоположных краях экранирующей пластинки 605 и/или двух противоположных краях пластинки нижнего антенного элемента 606 выполнены отдельно расположенные и загнутые внутрь антенны вертикальные ребра 607. Ребра имеют определенную высоту. Плоскость и линия расположения каждого упомянутого ребра (607) расположена вдоль оси у и соответствует Н-плоскости. Длина b ребер 603, 607 равна длине пластинок, но не ограничена этим, она может быть и короче длины пластинок.

На фиг.6а-6h показаны различные комбинации расположения загнутых ребер, выполненные на окончании соответствующих пластинок антенны. Ребра расположены соответственно вдоль Н-плоскости для верхнего антенного элемента, а для нижнего антенного элемента ребра симметричны ребрам верхнего антенного элемента.

На фигурах 6a-6h, 7a-7k, 9a-9k показано, что нижний антенный элемент имеет равные размеры с верхним антенным элементом.

Для обеспечения лучшей характеристики отношения Down/Up размер пластинок нижнего антенного элемента имеет отношение к размеру пластинок верхнего антенного элемента порядка от 1 до 3,5, как показано на фиг.6, 7, 8, 9 и 12, т.е. экранирующая пластинка нижнего антенного элемента может быть выполнена более протяженной, чем экранирующая пластинка верхнего антенного элемента. Однако размеры антенны не ограничены указанными соотношения, в том числе размер пластинок верхнего антенного элемента может быть больше размера пластинок нижнего антенного элемента.

На фиг.6а показана антенная система, содержащая: верхний антенный элемент и нижний антенный элемент, расположенный симметрично верхнему антенному элементу и под ним. Причем по двум краям излучающей пластинки верхнего антенного элемента и по двум краям пластинки нижнего антенного элемента выполнены вертикальные ребра. Ребра соответственно загнуты вертикально вниз и вертикально вверх внутрь конструкции антенны по направлению друг к другу. Экранирующая пластинка верхнего антенного элемента и экранирующая пластинка нижнего антенного элемента представляют собой плоскую проводящую пластинку без загиба ребер.

На фиг.6b показана антенная система с вертикальными ребрами, расположенными по краям экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенных элементов. Ребра загнуты на упомянутых пластинках так, чтобы располагаться вертикально по отношению к основанию своих пластинок.

На фиг.6с показана антенная система с вертикальными ребрами, загнутыми по краям всех пластинок верхнего и нижнего антенных элементов. Ребра расположены противоположно друг другу, и тем самым они отделены друг от друга в плоскости их расположения на определенное расстояние. Длина экранирующей пластинки меньше длины пластинки или излучающей пластинки. Ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и ребра пластинки нижнего антенного элемента расположены снаружи ребер и на определенном расстоянии от соответствующих им экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенных элементов.

На фиг.6d показана антенная система, в которой загнутые внутрь конструкции ребра экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенных элементов расположены снаружи противоположных им ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента.

На фиг.6е показана антенная система, в которой ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента выполнены загнутыми вертикально внутрь антенны и расположены снаружи противоположных им ребер экранирующих пластинок. Ребра экранирующих пластинок от основания пластинок сначала загнуты вертикально таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть их поверхности была противоположна поверхности загнутым вертикальным ребрам соответственно излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента. Далее загнутые ребра экранирующих пластинок продолжены и загнуты соответственно внутрь объема верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента. Они загнуты далее горизонтально так, чтобы располагаться на определенном расстоянии от противоположной излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента.

На фиг.6f показана антенная система, в которой ребра экранирующих пластинок выполнены загнутыми вертикально и расположены снаружи противоположных им ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента. Ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента от их основания сначала загнуты внутрь конструкции. Далее ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента продолжены и загнуты, соответственно, внутрь объема верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента. Ребра загнуты далее горизонтально на определенную длину так, чтобы располагаться на определенном расстоянии от противоположной экранирующей пластинки.

На фиг.6g показана антенная система, в которой соответствующие ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположены снаружи вертикальных ребер экранирующих пластинок. Ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента продолжены и далее загнуты, соответственно, наружу конструкции антенны и располагаются на определенном протяжении противоположно соответственно экранирующей пластинки верхнего антенного элемента и экранирующей пластинки нижнего антенного элемента.

На фиг.6h показана антенная система, в которой соответствующие ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположены снаружи ребер экранирующих пластинок. Ребра излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента продолжены и далее загнуты, соответственно, наружу конструкции антенны так, чтобы располагаться на определенном протяжении противоположно соответствующей экранирующей пластинке. Ребра экранирующих пластинок далее загнуты внутрь объема конструкции так, чтобы располагаться на определенном протяжении противоположно соответствующей излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента.

Во втором варианте на фиг.7 предложена конструкция антенной системы линейной поляризации, в которой емкостные элементы расположены вдоль Н-плоскости, а вдоль Е-плоскости емкостные элементы отсутствуют.

Антенная система содержит верхний антенный элемент и соосно расположенный под ним нижний антенный элемент.

Верхний антенный элемент состоит из: экранирующей пластинки 701, сверху которой на определенном расстоянии от нее расположена излучающая пластинка 702, которая возбуждается с помощью коаксиальной линии или штыря 704. Емкостные элементы выполнены на двух краях излучающей пластинки 702 и/или на двух краях экранирующей пластинки 701 (не показано). Емкостные элементы выполнены в виде гребенок, т.е. отдельно расположенного периодического набора элементов ребер 703 - двумерно-периодической системы ребер. Гребенки экранирующей пластинки и излучающей пластинки загнуты внутрь конструкции, по сути вертикально по отношению к пластинкам, из которых они загнуты.

Нижний антенный элемент выполнен зеркально конструкции верхнего антенного элемента и состоит, соответственно: из второй экранирующей пластинки 705, под которой располагается пластинка 706. На двух краях второй экранирующей пластинки 705 и/или двух краях пластинки 706 выполнен набор вертикальных элементов ребер - гребенок 707. Гребенки 707 загнуты внутрь конструкции нижнего антенного элемента, по сути вертикально по отношению к пластинкам, из которых они загнуты. Для обеспечения максимальной полосы частот антенной системы расстояние d между элементами двумерно-периодической системы ребер (отдельными штырьками, зубцами, ребрами) должно составлять более 0,1 от ширины w элемента гребенки (одного штырька), но не ограничено этим. Каждый элемент гребенки имеет определенную высоту 1 от основания пластинки, из которого он загнут.

На фиг.7а-8k показаны различные комбинации расположения двумерно-периодической системы ребер, выполненных на соответствующих пластинках верхнего и нижнего антенных элементов. Двумерно-периодическая система ребер расположена, соответственно, вдоль Н-плоскости для верхнего антенного элемента, а для нижнего антенного элемента соответственно симметрично двумерно-периодической системе ребер верхнего антенного элемента.

На фиг.7а показана антенная система, в которой двумерно-периодическая система ребер - гребенок расположена по двум краям излучающей пластинки верхнего и пластинки нижнего антенного элемента. Отдельные емкостные элементы двумерно-периодической системы загнуты вертикально. Элементы излучающей пластинки верхнего антенного элемента загнуты вертикально вниз, а емкостные элементы пластинки нижнего антенного элемента - вертикально вверх внутрь конструкции антенны по направлению друг к другу. На экранирующих пластинках емкостные элементы отсутствуют.

На фиг.7b показана антенная система, в которой на экранирующих пластинках верхнего и нижнего антенных элементов емкостные элементы соответственно загнуты вертикально вверх и вниз. Емкостные элементы загнуты на упомянутых пластинках так, чтобы располагаться вертикально по отношению к основанию своих пластинок, из которых они загнуты.

На фиг.7с показана антенная система с вертикальными емкостными элементами, загнутыми из краев всех пластинок верхнего и нижнего антенного элемента.

Загнутые емкостные элементы излучающей пластинки верхнего антенного элемента и ее экранирующей пластинки загнуты внутрь конструкции и расположены противоположно друг другу. Соответственно, емкостные элементы пластинки нижнего антенного элемента и ее экранирующей пластинки также загнуты внутрь и расположены противоположно друг другу. Емкостные элементы излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположены, соответственно, снаружи емкостных элементов их экранирующих пластинок. Каждый элемент двумерно-периодической системы ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и расположенный противоположно ему элемент экранирующей пластинки верхнего антенного элемента образуют соответствующую область перекрытия. Аналогично и для емкостных элементов нижнего антенного элемента.

На фиг.7d показана антенная система, в которой загнутые внутрь конструкции емкостные элементы экранирующих пластинок верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента расположены снаружи соответствующих емкостных элементов излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента.

На фиг.7е показана антенная система, в которой двумерно-периодическая система ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположена снаружи двумерно-периодической системы ребер экранирующих пластинок, соответственно, верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента. Каждый емкостной элемент излучающей пластинки верхнего антенного элемента или пластинки нижнего антенного элемента и расположенный противоположно ему соответствующей элемент экранирующей пластинки выполнен так, чтобы быть смещенным относительно друг друга по линии их расположения на определенное расстояние. Область перекрытия формируется только частью поверхности емкостных элементов. Общая емкость определяется набором областей перекрытия для всех емкостных элементов двумерно-периодической системы ребер.

На фиг.7f показана антенная система, в которой двумерно-периодическая система ребер экранирующих пластинок верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента расположена снаружи двумерно-периодической системы ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента. Каждый загнутый емкостной элемент соответствующей пластинки смещен относительно элемента противоположной пластинки по линии их расположения на определенное расстояние.

На фиг.7g показана антенная система, в которой двумерно-периодическая система ребер выполнена в одной плоскости, на одной линии расположения на всех пластинках верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента. Для верхнего антенного элемента двумерно-периодическая система ребер, загнутая по краям излучающей пластинки, расположена в промежутках двумерно-периодической системы ребер ее экранирующей пластинки. Для нижнего антенного элемента двумерно-периодическая система ребер, загнутая по краям пластинки, расположена в промежутках двумерно-периодической системы ребер ее экранирующей пластинки.

На фиг.7h показана антенна система, в которой двумерно-периодическая система ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположена, соответственно, снаружи двумерно-периодической системы ребер экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенного элемента. Элементы экранирующих пластинок от их основания сначала загнуты внутрь конструкции таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть их поверхности была противоположна поверхности вертикально загнутых элементов излучающей пластинки верхнего и, соответственно, пластинки нижнего антенного элемента. Далее элементы экранирующих пластинок продолжены и загнуты, чтобы оканчиваться, соответственно, внутри объема верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента, причем они загнуты так, чтобы располагаться на определенном расстоянии вдоль пластинок соответственно верхнего и нижнего антенного элемента.

На фиг.7i показана антенная система, в которой двумерно-периодическая система ребер экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенного элемента расположена снаружи, соответственно, двумерно-периодической системы ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента. Элементы излучающей пластинки верхнего и, соответственно, пластинки нижнего антенного элемента сначала загнуты внутрь конструкции таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть их поверхности была противоположна поверхности загнутым элементам экранирующих пластинок. Далее элементы излучающей пластинки верхнего и, соответственно, пластинки нижнего антенного элемента продолжены и загнуты, чтобы оканчиваться, соответственно, внутри объема антенны, причем они загнуты так, чтобы располагаться вдоль пластинок, соответственно, верхнего и нижнего антенного элемента.

На фиг.7j показана антенная система, в которой двумерно-периодическая система ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположена снаружи, соответственно, двумерно-периодической системы ребер экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенного элемента. Элементы на экранирующих пластинках выполнены загнутыми на определенное расстояние вертикально вверх. Загнутые элементы излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента продолжены и далее загнуты, соответственно, наружу конструкции антенны так, чтобы располагаться вдоль экранирующих пластинок, соответственно, верхнего и нижнего антенного элемента.

На фиг.7k антенная система, в которой двумерно-периодическая система ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента расположена снаружи, соответственно, двумерно-периодической системы ребер экранирующих пластинок верхнего и нижнего антенного элемента. Элементы, загнутые на экранирующих пластинках, выполнены далее внутрь объема конструкции, так чтобы располагаться на определенном расстоянии вдоль противоположной соответствующей излучающей пластинки или пластинки. Загнутые элементы излучающей пластинки верхнего антенного элемента и пластинки нижнего антенного элемента продолжены и далее загнуты, соответственно, наружу конструкции антенны так, чтобы располагаться вдоль экранирующих пластинок соответственно верхнего и нижнего антенного элемента.

На фиг.8 показана однодиапазонная широкополосная антенная система для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в расширенной полосе частот, состоящая из: верхнего антенного элемента и соосно расположенного под ним нижнего антенного элемента, сигнального порта, размещенного в объеме верхнего антенного элемента и предназначенного для ввода/вывода радиосигналов, полученных упомянутой антенной, а также системы возбуждения.

Верхний антенный элемент 30 состоит из излучающей пластинки 13 и проводящей экранирующей пластинки 14, которые отделены друг от друга на определенное расстояние воздушным пространством. Пластинки 13, 14 по двум противоположным сторонам или краям выполнены загнутыми внутрь себя так, чтобы загибы имели форму вертикальных элементов, например ребер 3а. Ребра 3а располагаются вертикально (или ортогонально) по отношении к пластинкам, из которых они загнуты, а также и к противоположным им пластинкам.

Загнутые ребра 3 не обязательно должны быть ортогональны к излучающей пластинке. Они предпочтительно должны быть расположены вертикально по отношению к пластинке. Более точно их размер и расположение под определенным углом по отношению к пластинкам определяется при настройке антенны. Загнутые ребра имеют поперечный размер и могут быть штырьками, в частности цилиндрической формы.

Экранирующая пластинка 14 размещена на части поверхности экранирующей пластинки 9 и соосно с ней. Верхний антенный элемент имеет сигнальный порт, который осуществляет электрическую взаимосвязь с ним, а в нижнем антенном элементе сигнальный порт отсутствует. Возбуждение верхнего антенного элемента осуществляется посредством штыря возбуждения.

Нижний антенный элемент 40 расположен симметрично верхнему антенному элементу 30 и под ним. Нижний антенный элемент 40 состоит из плоской пластинки 10 и экранирующей ее пластинки 9, которые отделены друг от друга на определенное расстояние воздушным пространством. При этом на нижнем антенном элементе возникают наведенные токи. За счет заданных размеров пластинок 10, 9 и их расположения относительно друг друга на определенном расстоянии поле этих токов в области нижней полусферы оказывается в противофазе с полем токов верхнего антенного элемента. Таким образом, амплитуды полей токов в задней полусфере антенны вычитаются, тем самым уменьшая уровень ДН в задней полусфере, т.е. осуществляется подавление отраженного многолучевого сигнала. На краях пластинок 9, 10 выполнены емкостные элементы. Емкостные элементы имеют форму коротких загнутых элементов, например, в виде вертикальных ребер 3b. Ребра 3b загнуты в объем нижнего антенного элемента и расположены преимущественно вертикально (или ортогонально) по отношению к пластинкам, из которых они загнуты, а также и к противоположным им пластинкам. Нижний антенный элемент возбуждается путем электромагнитного взаимодействия посредством верхнего антенного элемента. Таким образом, верхний и нижний антенный элемент имеют различную степень электромагнитного взаимодействия (degrees of electrical coupling) с сигнальным портом, причем эти соответствующие степени взаимодействия отличны друг от друга.

Позицией 15 показаны штыри возбуждения, позиция 16 - выходной разъем, позиция 17 - коаксиальный кабель питания 18, позиция 3' - область перекрытия, сформированная емкостными элементами, расположенными по двум краям пластинок верхнего антенного элемента и нижнего антенного элемента. Как вариант, емкостные элементы могут располагать только на одной пластинке верхнего или нижнего антенного элемента или в различном их сочетании. Емкостные элементы могут быть выполнены по всей длине пластинки или ее части в виде ребер определенной длины или двумерно-периодической системы ребер - гребенок различной поверхностной формы так, чтобы область перекрытия 3' имела максимальную площадь.

Нижний антенный элемент 40 не соединен с сигнальным портом 28. Нижний антенный элемент 40 настроен так, чтобы его резонансная частота была близка к резонансной частоте верхнего антенного элемента 30. Для GPS L1-полосы и L2-полосы резонансная частота нижнего антенного элемента 40 должна быть предпочтительно в пределах -60 MГц к+60 MГц рабочей частоты верхнего антенного элемента 30, т.е. -5%+5% от центральной частоты.

Резонансная частота нижнего антенного элемента 40 может быть измерена с помощью установленного в нем вспомогательного зонда и определения входного полного сопротивления, используя функцию частоты возбуждения, измеренную на коаксиальном выходе зонда. В процессе этих измерений должен быть удален верхний антенный элемент. Частота, на которой имеется максимум в действительной части входного полного сопротивления, указывает на резонансную частоту. Окончательную настройку размера пластинок нижнего антенного элемента осуществляют в процессе минимизации отношения Down/Up. Для этого в заглушенной камере измеряют распределение значения отношения Down/Up в зависимости от частоты для верхнего и нижнего антенного элемента, немного изменяя расположение загнутых ребер нижнего антенного элемента относительно друг друга, или их расположение относительно основания пластинок или, изменяя размер поверхности ребер, смещают минимум отношения Down/Up к требуемой частоте.

Для реализации функционирования микрополосковой антенной системы в режиме круговой поляризации предлагается структура емкостных элементов, расположенных с некоторым шагом по всему периметру излучающих пластинок 902 и/или экранирующих пластинок 901 верхнего антенного элемента и/или пластинок 907 и/или экранирующих пластинок 906 нижнего антенного элемента.

Режим круговой поляризации обеспечивают возбуждением поля двух ортогонально ориентированных в пространстве линейных поляризаций посредством системы возбуждения, например, двух штырей 904, 905 и расположением емкостных элементов в виде по всему периметру пластинок. Как показано на фиг.9, гребенки 903а и 903b расположены по периметру излучающей пластинки 902 верхнего антенного элемента. При этом элементы, которые для одной поляризации располагались вдоль Н-плоскости, для ортогональной поляризации окажутся расположенными вдоль Е-плоскости и наоборот. Например, для поля линейной поляризации возбуждаемого штырем 904, элементы которого расположены вдоль оси у, будут расположены в Н-плоскости, а для поля, возбуждаемого штырем 905, элементы окажутся расположенными в Е-плоскости. Нижний антенный элемент выполнен зеркально конструкции верхнего антенного элемента и состоит, соответственно: из экранирующей пластинки 906, снизу которой располагается пластинка 907. Причем экранирующая пластинка 901 верхнего антенного элемента размещена на, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки 906 нижнего антенного элемента. По всему периметру пластинки 907 нижнего антенного элемента выполнены емкостные элементы - гребенки 908. Плоскость и линия расположения емкостных элементов 908 соответствует плоскости и линии расположения емкостных элементов 903.

Для антенны, работающей в режиме круговой поляризации, нельзя определить Е- и Н-плоскость, так как вектора электрического и магнитного полей имеют разную пространственную ориентацию в разные моменты времени, а именно они вращаются (Более подробно об этом можно посмотреть в LO Y.T., LEE S.W., Antenna Handbook, Chapman&Hall, Vol.1, Antenna fundamentals and mathematical techniques, New York 1993 - [4]). Определения и пояснения по фиг.5 касаются только антенны линейной поляризации, причем для случая, когда питающий штырь расположен так, как показано на фиг.6 и 7, а именно штырь 604 и 704 смещен относительно центра конструкции по оси x и не смещен по оси у. В этом случае возбуждается поле линейной поляризации, причем вектор электрического поля Е параллелен оси x, а вектор магнитного поля Н параллелен оси у. Поле круговой поляризации является суммой полей двух линейных поляризации, ортогональных между собой и сдвинутых по фазе на 90°. Для возбуждения таких полей используются два штыря 905 и 904, причем 904 смещен относительно центра вдоль оси х, а 905 - вдоль оси у. Плоскость xz для поля, возбуждаемого штырем 904, будет являться Е-плоскостью, а для поля, возбуждаемого штырем 905, Н-плоскостью. Поэтому для поля, возбуждаемого, например, штырем 904, элементы 903а расположены вдоль вектора магнитного поля, т.е. в плоскости Н, а элементы 903b расположены вдоль вектора электрического поля, т.е. в плоскости Е. Аналогично для поля, возбуждаемого штырем 905, элементы 903а расположены вдоль вектора электрического поля, т.е. в плоскости Е, а элементы 903b расположены вдоль вектора магнитного поля, т.е. в плоскости Н.

Чтобы оценить частотные свойства антенны круговой поляризации фиг.9, надо сделать оценку частотных свойств для каждой линейной поляризации. Это можно сделать с помощью эквивалентной схемы фиг.10. Поле линейной поляризации, возбужденное, например, штырем 904, ориентировано вдоль оси х. Тогда элементы 903b, расположенные вдоль оси х, описываются с помощью системы емкостей С₁, а элементы 903а, расположенные вдоль оси у, описываются с помощью суммарной емкости С₂. Аналогичные рассуждения справедливы для поля, возбуждаемого штырьком 905.

Эквивалентная схема антенны для круговой поляризации изображена на фиг.10. Где показано, что система емкостей С₁, вытянутая вдоль оси х с шагом 1₁, эквивалентна общему замедлению в линии β₁, а система емкостей, вытянутая параллельно оси у, эквивалентна суммарной емкости С₂.

Анализ схемы фиг.10 при наличии дисперсии (частотной зависимости β₁) показывает, что дисперсия приводит в дополнительному нежелательному росту добротности.

Для оценки величин замедления β₁ и шага l₁, при которых начинает сказываться дисперсия, пригодна цепочечная структура четырехполюсников, изображенная на фиг.11а.

Каждый четырехполюсник, как изображено на фиг.11а, содержит отрезок линии длиной l₁ с волновым сопротивлением, соответствующим воздушной подложке W и постоянной распространения у и емкость С₁. Заполнение линии предполагается воздушным.

Специалисту известно [см., например, Д.М.Сазонов и др., Устройства СВЧ, Высшая Школа, Москва, 1981-3], что элементы матрицы проводимостей такого четырехполюсника имеют вид

Будем считать, что в схеме фиг.11а распространяется бегущая волна, и набег фазы между двумя соседними четырехполюсниками составляет φ. Имеем последовательную цепочку равенств

Откуда

и или

Набег фазы φ можно интерпретировать в терминах эквивалентного замедления β, так что

Экспериментальные расчеты по формулам (22) - (27) показывают, что дисперсия становится заметной с ростом замедления β₁ и шага l₁. Для получения частотно-независимого замедления вплоть до порядка 4...5 величина шага должна составлять 0,07 длины волны и менее.

Оценка добротности в схеме фиг.10 методом, аналогичным (14) - (20), дает следующий результат:

Полное замедление

Добротность

Здесь β₂ - вклад в замедление, вносимый за счет емкости С₂.

При достаточно больших β₂ - а именно, как показано выше, при β₂≥1,5

Таким образом, выигрыш в полосе частот по сравнению с антенной со сплошным диэлектриком сохраняется и для круговой поляризации.

В соответствии с вышеизложенными расчетами для обеспечения режима круговой поляризации, что особенно важно для применения в приложениях GPS и GSSN необходимо в излучателях круговой поляризации возбудить два ортогональных типа колебаний (продольных и поперечных колебаний с токами, параллельными оси x и у и фазовым сдвигом 90°), например, с помощью двух ортогональных штырей возбуждения. Для этого предложена конструкция антенной системы круговой поляризации, в которой емкостные элементы выполнены в виде двумерно-периодической системы ребер, таких как гребенки, отдельные штырьки высотой 1, преимущественно меньшей, чем длина пластинки, из которой они загнуты. Емкостные элементы расположены по периметру антенны, т.е. вдоль оси х и оси у на излучающей пластинке 902 и/или экранирующей пластинки 901 верхнего антенного элемента и/или пластинок 907 и/или экранирующих пластинок 906 нижнего антенного элемента.

При реализации антенны круговой поляризации (фиг.9а-9g) возможны варианты включения двумерно-периодической системы ребер в виде гребенок, зубцов или штырьков. Для этого их располагают по всему периметру антенны как вдоль оси x, так и вдоль оси у аналогично описанному выше второму варианту конструкции. В антенной системе с круговой поляризацией все пластинки предпочтительно выполнять в форме круга, квадрата.

На фиг.12 показана в разрезе двухдиапазонная широкополосная антенная система для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов в широкой полосе частот.

Двухдиапазонная антенная система для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов имеет этажерчатую конструкцию, в которой, как вариант, антенна более высокого частотного (ВЧ) диапазона расположена над антенной с более низким диапазоном (НЧ), но может быть и наоборот. Для этого на верхнем антенном элементе второго диапазона располагают излучатель первого диапазона, причем излучающая пластинка второго диапазона является экраном для излучающей пластинки первого диапазона.

Антенная система включает верхний антенный элемент первого ВЧ диапазона 50 и верхний антенный элемент второго НЧ диапазона 30, а также соответствующие им нижний антенный элемент первого 60 и второго диапазона 40. Излучающая пластина 13 первого диапазона размещена над излучающей пластиной 11 второго диапазона. Экранирующая пластина 14 первого диапазона отделена воздушным пространством от излучающей пластинки 13 первого диапазона и расположена на поверхности излучающей пластинки 11 второго диапазона. Излучающая пластинка 11 второго диапазона отделена воздушным пространством от экранирующей пластинки 12 второго диапазона, которая, в свою очередь, размещена на части поверхности экранирующей пластины 9 нижнего антенного элемента второго диапазона.

Нижний антенный элемент первого диапазона содержит: экранирующую пластину 7 и пластинку 8, которые расположены противоположно друг другу и отделены воздушным пространством друг от друга на определенное расстояние. Нижний антенный элемент второго диапазона содержит: экранирующую пластину 9 и пластинку 10, которые расположены противоположно друг другу и отделены воздушным пространством друг от друга на определенное расстояние.

Пластинка 10 нижнего антенного элемента второго диапазона размещена на поверхности экранирующей пластины 7 нижнего антенного элемента первого диапазона. Следует отметить, что пластинка 10 располагается ближе к экранирующей пластинке 12 верхнего антенного элемента второго диапазона, чем пластинка 8 к экранирующей пластинке 14 верхнего антенного элемента второго диапазона. Излучающая пластинка 13 верхнего антенного элемента первого диапазона электрически взаимосвязана и соединена с первым сигнальным портом, а соответствующая ей по диапазону пластинка 8 нижнего антенного элемента первого диапазона не соединена с сигнальным портом. В свою очередь, излучающая пластинка 11 электрически взаимосвязана и соединена со вторым сигнальным портом, а соответствующая ей по диапазону пластинка 10 не соединена с сигнальным портом.

Подавление многолучевого сигнала осуществляют путем электромагнитного взаимодействия излучающей пластинки верхнего антенного элемента соответствующего диапазона с пластинкой нижнего антенного элемента соответствующего диапазона и определяют за счет их расположения на определенном расстоянии друг от друга. Таким образом, излучающая пластинка первого диапазона верхнего антенного элемента и пластинка первого диапазона нижнего антенного элемента имеют различную степень (величину) электромагнитного взаимодействия с первым сигнальным портом, причем эти степени взаимодействия не равны друг другу. Излучающая пластинка второго диапазона верхнего антенного элемента и пластинка второго диапазона нижнего антенного элемента также имеют различную степень (величину) электромагнитного взаимодействия со вторым сигнальным портом, причем эти степени взаимодействия не равны.

По периметру краев основания всех упомянутых пластин двухдиапазонной широкополосной антенной системы круговой поляризации выполнены емкостные элементы в виде двумерно-периодической системы ребер. Для верхнего антенного элемента первого диапазона 50 элементы ребер экранирующей пластинки 14 расположены снаружи элементов ребер излучающей пластинки 13 и выполнены противоположно друг другу. Для верхнего антенного элемента 30 второго диапазона элементы ребер экранирующей пластинки 12 расположены снаружи элементов ребер излучающей пластинки 11. Для нижнего антенного элемента второго диапазона элементы ребер пластинки 10 расположены снаружи элементов ребер экранирующей пластинки 9. Для нижнего антенного элемента первого диапазона элементы ребер экранирующей пластинки 7 расположены снаружи элементов ребер пластинки 8.

В каждом верхнем и нижнем антенном элементе соответствующего диапазона элементы ребер загнуты по периметру пластинок внутрь антенны навстречу другим элементам ребер противоположной пластинки так, чтобы располагаться вертикально по отношению к пластинкам, из которых он загнут. Элементы ребер в виде двумерно-периодической системы загнутых ребер на каждой противоположной пластинке расположены в одной плоскости. Элементы ребер одной пластинки отделены от противоположных элементов другой пластинки на определенное расстояние.

На фиг.12 показан вариант антенной системы, в которой размер экранирующей пластинки 12 или 9 больше, чем размер излучающей пластинки 11 или пластинки 10, и тем самым экранирующая пластинка 12 или 9 продолжена за емкостные элементы 3, которые расположены на ней.

При реализации многодиапазонной антенны круговой поляризации возможны все вышеуказанные согласно второму варианту изобретения варианты включения емкостных элементов в виде: двумерно-периодической системы загнутых ребер, гребенок, зубцов или штырьков. Для этого каждый нижний и/или верхний антенный элемент соответствующего диапазона выполняют согласно и аналогично раскрытым выше вариантам конструкции.

Настроечные параметры, определяющие конструктивное выполнение антенной системы, подбираются так, чтобы верхний антенный элемент 50 первого диапазона в полосе частот L1 и соответствующий ей нижний антенный элемент 60 обеспечивали требуемые характеристики Down/Up, а верхний антенный элемент 30 второго диапазона в полосе частот L2 и соответствующий ей нижний антенный элемент 40 обеспечивали требуемые характеристики Down/Up для L2. Под настроечными параметрами антенны понимаются: параметры, которые позволяют корректировать вышеуказанные значения резонансной частоты и Down/Up, а именно: форма емкостных элементов высота 1, ширина w и др., их расположение относительно друг друга или местоположение на пластинках, из которых они загнуты, площадь поверхности этих элементов или зазор между загнутыми элементами противоположных пластинок или область их перекрытия друг с другом. Так параметры нижнего антенного элемента 60 выбираются так, чтобы иметь резонансную частоту на или около полосы L1 верхнего антенного элемента 50, а параметры нижнего антенного элемента 40 берут такими, чтобы обеспечивать резонансную ее частоту на или около полосы L2 верхнего антенного элемента 30. Например, для приема сигналов GPS и GLONASS в L1 диапазоне 1563 MГц - 1616 MГц и L2 диапазоне 1216 MГц - 1260 MГц параметры берут так, чтобы резонансная частота нижнего антенного элемента 60 диапазона L1 предпочтительно была близкой -60MГц к +25 MГц к центральной частоте полосы L1 1590 MГц, а резонансная частота нижнего антенного элемента 40 диапазона L2, была близкой -50 MГц к +20 MГц к центральной частоте L2 1240 MГц.

Фиг.13 показывает общий вид конструкции многоярусной двухдиапазонной антенны.

Позицией 1 и 2 обозначена, соответственно, нижняя и верхняя крышка антенного блока, поз.3а-3b - емкостные элементы в виде гребенок на соответствующих пластинках антенны, поз.4 - плата усилителя, на которой также может располагаться система возбуждения для диапазона L2, поз.5 - система возбуждения для диапазона L1, поз.6 - экран усилителя, поз.7 - экранирующая пластинка нижнего антенного элемента первого диапазона, поз.8 - пластинка нижнего антенного элемента первого диапазона, поз.9 - экранирующая пластинка нижнего антенного элемента второго диапазона, поз.10 - пластинка нижнего антенного элемента второго диапазона, поз.11 - излучающая пластинка верхнего антенного элемента второго диапазона, поз.12 - экранирующая пластинка верхнего антенного элемента второго диапазона, 13 излучающая пластинка верхнего антенного элемента первого диапазона, поз.14 - экранирующая пластинка верхнего антенного элемента первого диапазона, поз.15 - штыри возбуждения, поз.16 - выходной разъем, поз.17 - коаксиальный кабель питания, поз.18, 19, 26 - крепежные элементы винты, шайбы, поз.20-24 - диэлектрические поддерживающие проставки различной высоты, поз.25 - подкладочная шайба.

На фиг.14 показан вариант двухдиапазонной антенны, в которой емкостные элементы выполнены как двумерно-периодическая система ребер, загнутая по всему периметру (вдоль Н- и Е-плоскости) краев излучающих пластинок и экранирующих пластинок верхнего антенного элемента первого и второго диапазонов. А также двумерно-периодическая система ребер, загнутая по всему периметру краев пластинок и экранирующих пластинок нижнего антенного элемента первого и второго диапазонов. Элементы могут быть сформированы путем загиба листового проводящего материала, из которого выполнены пластинки.

Емкостные элементы в виде гребенок загнуты по краям пластинок. Гребенки 3а' расположены на излучающих пластинках соответствующего диапазона верхнего антенного элемента, гребенки 3а" расположены на экранирующих пластинах соответствующего диапазона верхнего антенного элемента. Гребенки 3а' и 3а" выполнены загнутыми внутрь верхнего антенного элемента и расположены друг напротив друга.

Также, соответственно, гребенки 3b" расположены на экранирующих пластинах соответствующего диапазона нижнего антенного элемента, а гребенки 3b' на пластинках соответствующего диапазона нижнего антенного элемента. Гребенки 3b' и 3b" выполнены загнутыми внутрь нижнего антенного элемента и расположены друг напротив друга.

Гребенки 3а" расположены снаружи гребенок 3а'. Гребенки 3b' пластинки второго диапазона нижнего антенного элемента расположены снаружи гребенок 3b" экранирующей пластинки второго диапазона нижнего антенного элемента. Гребенки 3b" экранирующей пластинки первого диапазона нижнего антенного элемента - снаружи гребенок 3b' пластинки первого диапазона нижнего антенного элемента.

Гребенки 3а" экранирующих пластинок и противоположные им гребенки 3а' излучающих пластинок верхнего антенного элемента находятся в одной плоскости расположения на определенном расстоянии друг от друга, но смещены относительно друг друга по линии их расположения. Соответственно гребенки 3b" экранирующих пластинок и гребенки 3b' пластинок нижнего антенного элемента также расположены в одной плоскости и смещены относительно друг друга по линии расположения на заданное расстояние.

Однако указанный вариант выполнения емкостных элементов ребер не ограничивается данным примером и может быть выполнен согласно любому из описанных вариантов 9a-9g, Емкостные элементы для нижнего антенного элемента выполняются идентично элементам верхнего антенного элемента или имеют различное сочетание для верхнего и нижнего антенного элемента, т.е. имеют симметричное выполнение или имеют отличную друг от друга форму согласно раскрытым вариантам выполнения. Так верхний антенный элемент может быть выполнен с гребенками по краям его излучающих пластинок и экранирующих пластинок соответствующего диапазона, причем противоположные гребенки смещены относительно друг друга в плоскости их расположения, а нижний антенный элемент может быть выполнен с гребенками только по краям экранирующих пластинок соответствующего диапазона.

В антенной системе каждый верхний антенный элемент первого и второго диапазона электрически соединен с МШУ 27, который расположен на печатной плате 4. Возбуждающие штыри 15 верхнего антенного элемента первого диапазона 50 запаяны на плату со схемой возбуждения 5, штыри верхнего антенного элемента второго диапазона 30 - на плату 4, где также расположена соответствующая схема возбуждения 5 для этого диапазона. Сигнал с выхода схем возбуждения 5 по коаксиальному кабелю 17 поступает на вход усилителя 27 на плате 4, где он усиливается, и далее выходной сигнал с МШУ 27 через коаксиальный кабель или выходной разъем 16 передается к различным внешним потребителям. Коаксиальный кабель 17 и выходной разъем - порт 16 расположены по центру конструкции, причем коаксиальный кабель 17 проходит по центру оси симметрии антенной системы и расположен в точках нулевых потенциалов полей антенных элементов, чтобы обеспечить симметрию конструкции антенной системы и не вносить искажений в ее работу. Как вариант, усилитель МШУ 27 может быть помещен в экранирующую оболочку 6 для защиты элементов усилителя от электромагнитных излучений. В качестве экранирующей оболочки применяются заземленные экраны, кожухи и другие элементы, которые выполняются из проводящих тонких материалов различной формы. Система питания может быть выполнены любым известным специалисту способом, используя линии передачи различной конструкции, например полосковые линии.

Фиг.15 показывает вид в разрезе конструкции системы возбуждения многоярусной двухдиапазонной антенны. Стрелкой показаны точки соединения штырей возбуждения 15 и коаксиального кабеля 17 с соответствующими элементами антенны. Центральная жила коаксиального кабеля соединена с излучающей пластинкой, а оплетка кабеля - с экранирующей пластинкой. Система возбуждения состоит из схемы возбуждения 5, штырей возбуждения 15, коаксиального высокочастотного кабеля 17. Верхний антенный элемент первого диапазона 50 запитывается сверху, а верхний антенный элемент второго диапазона 30 - снизу. Для подвода питания в местах расположения штырей 15 и коаксиального кабеля 17 в соответствующих экранирующих 14, 12 пластинах и излучающих пластинках 13, 11, а также печатных платах 4 и 5 имеются отверстия.

Высокочастотный кабель 17 одним концом соединен с МШУ или с внешним оборудованием типа внешнего МШУ или приемника, а другим концом (центральной жилой) электрически соединен со схемой возбуждения 5, например делителем. Его оплетка запаяна (заземлена) на проводящую экранирующую пластинку. Штырь возбуждения 15 верхнего антенного элемента первого диапазона 50 сверху соединен со схемой возбуждения 5 и запаян на его излучающую пластинку 13. Аналогично и для второго штыря 15 верхнего антенного элемента второго диапазона 30, этот штырь 15 запаян на схему возбуждения, расположенную на плате 4 и через отверстие в верхнем антенном элементе первого диапазона 50 запаян на его излучающую пластинку 11.

Точку питания - точку расположения (подключения) штырей 15 размещают так, чтобы она была согласована с излучателем. Коаксиальный кабель 17 проходит по центру оси симметрии антенной системы и расположен в точках нулевых потенциалов полей антенных элементов. Выход МШУ 27 через разъем 16 подключен к внешнему оборудованию. Питание антенны и МШУ 27 можно обеспечить через коаксиальный кабель 17, отделяя напряжение постоянного тока от полученного антенной сигнала с помощью фильтров в МШУ 27.

Фиг.16 показывает вид сверху многоярусной двухдиапазонной антенны круговой поляризации. Емкостные элементы выполнены как двумерно-периодическая система ребер, загнутых по всему периметру краев излучающей и экранирующей пластинки верхнего антенного элемента первого 50 и второго 30 диапазонов и пластинок, и экранирующих пластинок нижнего антенного элемента первого 60 и второго 40 диапазонов. Гребенки 3а экранирующих пластинок 12, 14 расположены снаружи гребенок 3а излучающих пластинок 11, 14. Гребенки 3b экранирующих пластинок 9, наоборот, расположены внутри гребенок 3b пластинок 10. Нижний антенный элемент второго 40 диапазона не показан, но он имеет конструкцию аналогично нижнему антенному элементу первого 60 диапазона.

На фиг.17 показан вид снизу (со стороны нижнего антенного элемента) печатной платы 4 с установленными на ней элементами малошумящего усилителя МШУ 27. Экран 6 не показан. Плата 4 с МШУ 27 располагается в объеме нижнего антенного элемента между пластинкой и ее экранирующей пластинкой. Плата с МШУ прикреплена крепежом к нижней поверхности упомянутой экранирующей пластинки нижнего антенного элемента. Такая конструкция не вносит воздействий в работу антенны и позволяет создать более компактную по высоте антенную систему.

На фиг.18 показан график зависимости Down/Up в полосе частот двух диапазонов L1 и L2 прототипа [1] и предложенной конструкции антенной системы.

Частотные свойства принято оценивать по определенному уровню, например - 15 дБ или -20 дБ, которые позволяют обеспечить эффективность работы антенны.

На графике видно, что на уровне Down/Up -15 дБ или -20 дБ происходит расширение полосы частот относительно прототипа на +20…+30%. Таким образом, видно, что предложенная антенная система обеспечивает уменьшение эффекта многолучевого приема сигнала для диапазона L1 и L2 в более широкой полосе частот при небольших размерах экранирующей пластинки.

Также на фиг.19а-19b предложен вариант выполнения компактной двухдиапазонной антенной системы для уменьшения эффекта многолучевого приема сигналов, в которой пластинка 8 нижнего антенного элемента первого диапазона 60 выполнена в виде объемной замкнутой полости, в котором размещают дополнительные конструктивные элементы, например GPS приемник 29, оптические датчики положения и другие. Со стороны поверхности 8а замкнутой полости 8, расположенной противоположно экранирующей пластинке 7 нижнего антенного элемента 60 первого диапазона, выполнены емкостные элементы 3b'. Емкостные элементы 3b могут быть выполнены как по краям (фиг.19а), так и по соответствующему периметру (фиг.19b) от края замкнутой полости 8. Форма и расположение емкостных элементов 3b соответствует вышеописанным вариантам (фиг.6а-9k, 12).

Аналогично и для однодиапазонной антенной системы пластинка 10 нижнего антенного элемента 40 выполняется в виде объемной замкнутой полости 10, в которой размещают дополнительные элементы, например GPS приемник 29. Емкостные элементы 3b выполнены на поверхности 10а замкнутой полости 10. Поверхность 10а расположена противоположно и под экранирующей пластинкой 9 нижнего антенного элемента 40.

Такое выполнение антенной системы позволяет непосредственно устанавливать поверхности 8b или 10b замкнутой полости 8 или 10 антенной системы на плоскую поверхность, например на крышу транспортного средства, при этом сохраняя в расширенной полосе частот свойства подавления многолучевого сигнала без дополнительной перестройки антенной системы.

Резюмируя, можно отметить, что предложенная конструкция антенной системы для уменьшения эффекта многолучевого приема, в которой применены различные формы емкостных элементов на отрытых концах резонатора, позволяет отказаться от дорогостоящей диэлектрической подложки, что снижает размер и вес антенной системы и в тоже время обеспечивает: расширение полосы частот, а также позволяет разместить в объеме нижнего антенного элемента печатную плату с МШУ или GPS приемник. В отличие от антенны с замедляющей структурой в виде набора крестообразных щелей [2] предложенное нами решение имеет простую конструкцию и позволяет разместить на излучающей пластинке другие элементы антенны, например мостовую схему питания или печатную плату с малошумящим усилителем, а также делает возможным создавать многоярусные и многодиапазонные конструкции антенн малого размера.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антеннам, в частности к микрополосковым антеннам для применения в системах GPS и GNSS. Техническим результатом является увеличение рабочей полосы частот антенны, уменьшение размеров, упрощение конструкции. Антенная система содержит сигнальный порт для вывода полученных радиосигналов, верхний антенный элемент и соосно расположенный под ним нижний антенный элемент. Верхний антенный элемент состоит из: излучающей пластинки, расположенной над экранирующей пластинкой, нижний антенный элемент состоит из экранирующей пластинки, под которой расположена плоская пластинка. Верхний и нижний антенный элемент имеют различную степень электромагнитного взаимодействия с сигнальным портом. Излучающая пластинка верхнего антенного элемента, и/или экранирующая пластинка верхнего антенного элемента, и/или пластинка нижнего антенного элемента, и/или экранирующая пластинка нижнего антенного элемента на, по меньшей мере, двух противоположных своих сторонах выполнена с загнутыми элементами. Также предложена компактная двухдиапазонная антенная система для приема радиосигнала. На пластинках применены загнутые элементы в виде различных вариантов ребер или гребенок. 2 н. и 37 з.п. ф-лы, 52 ил.

1. Компактная антенная система для приема радиосигнала, содержащая: сигнальный порт для ввода/вывода сигналов, полученных/переданных упомянутой антенной системой, верхний антенный элемент и соосно расположенный под ним нижний антенный элемент, причем верхний антенный элемент состоит из: излучающей пластинки, расположенной над ее экранирующей пластинкой, которые отделены друг от друга на определенное расстояние воздушным пространством, а нижний антенный элемент состоит из экранирующей пластинки, под которой расположена пластинка, отделенные друг от друга на определенное расстояние воздушным пространством, нижний антенный элемент размещен таким образом, что экранирующая пластинка верхнего антенного элемента располагается вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки нижнего антенного элемента, верхний антенный элемент непосредственно соединен с сигнальным портом, а нижний антенный элемент возбуждается путем электромагнитного взаимодействия с верхним антенным элементом, причем на, по меньшей мере, двух противоположных сторонах упомянутая излучающая пластинка верхнего антенного элемента, и/или экранирующая пластинка верхнего антенного элемента, и/или пластинка нижнего антенного элемента, и/или экранирующая пластинка нижнего антенного элемента, выполнена с элементами, загнутыми внутрь антенны, которые тем самым расположены вертикально по отношению к соответствующим пластинкам.

2. Антенная система для приема радиосигнала по п.1, отличающаяся тем, что работает в режиме линейной поляризации.

3. Антенная система для приема радиосигнала по п.1, отличающаяся тем, что работает в режиме круговой поляризации.

4. Антенная система для приема радиосигнала по п.2, отличающаяся тем, что плоскость и линия расположения упомянутых загнутых элементов находятся вдоль Н-плоскости.

5. Антенная система для приема радиосигнала по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что упомянутые пластинки выполнены в форме круга или квадрата.

6. Антенная система для приема радиосигнала по п.5, отличающаяся тем, что загнутые элементы расположены по периметру соответствующих пластинок.

7. Антенная система для приема радиосигнала по п.4 или 6, отличающаяся тем, что упомянутые пластинки выполнены из листового материала с последующим загибом упомянутых элементов.

8. Антенная система для приема радиосигнала по п.7, отличающаяся тем, что резонансная частота, возбуждаемая нижним антенным элементом, находится в пределах ±5% от центральной частоты, возбуждаемой в верхнем антенном элементе.

9. Антенная система для приема радиосигнала по п.8, отличающаяся тем, что упомянутые загнутые элементы излучающей пластинки, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента выполнены загнутыми внутрь антенны так, чтобы располагаться на определенном расстоянии внешне или внутренне по отношению к другим противоположным элементам, загнутым из соответственно экранирующей пластинки, и/или излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента.

10. Антенная система для приема радиосигнала по п.9, отличающаяся тем, что упомянутые загнутые элементы далее загнуты и продолжены внутрь антенны так, чтобы располагаться на определенном протяжении вдоль пластинки, из которой они загнуты.

11. Антенная система для приема радиосигнала по п.9, отличающаяся тем, что упомянутые загнутые элементы далее загнуты наружу антенны на определенное расстояние так, чтобы располагаться на определенном протяжении вдоль пластинки, из которой они загнуты.

12. Антенная система для приема радиосигнала по любому из пп.8-11, отличающаяся тем, что упомянутые загнутые элементы выполнены в виде ребер.

13. Антенная система для приема радиосигнала по п.12, отличающаяся тем, что упомянутые загнутые элементы выполнены в виде двумерно-периодической системы ребер.

14. Антенная система для приема радиосигнала по п.13, отличающаяся тем, что двумерно-периодическая система ребер представляет собой гребенки или набор штырьков или зубцов.

15. Антенная система для приема радиосигнала по п.14, отличающаяся тем, что ширина одного элемента двумерно-периодической системы ребер много меньше длины волны принимаемого сигнала.

16. Антенная система для приема радиосигнала по любому из пп.13-15, отличающаяся тем, что в упомянутом наборе раздельных элементов ребер расстояние между элементами составляет более 0.1 ширины одного элемента.

17. Антенная система для приема радиосигнала по п.16, отличающаяся тем, что загнутые элементы упомянутой двумерно-периодической системы ребер, расположенные на экранирующей пластинке верхнего антенного элемента, и/или излучающей пластинке верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинке нижнего антенного элемента, и/или пластинке нижнего антенного элемента имеют определенную область перекрытия на их окончаниях, образованную между расположенными противоположно и на определенном расстоянии от них загнутыми элементами двумерно-периодической системы ребер излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента.

18. Антенная система для приема радиосигнала по п.17, отличающаяся тем, что упомянутые загнутые элементы двумерно-периодической системы ребер смещены на определенное расстояние относительно противоположных им загнутых элементов двумерно-периодической системы ребер противоположной пластинки.

19. Антенная система для приема радиосигнала по п.18, отличающаяся тем, что загнутые элементы двумерно-периодической системы ребер экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента расположены в промежутках между противоположными загнутыми элементами двумерно-периодической системы ребер соответственно излучающей пластинки верхнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки верхнего антенного элемента, и/или пластинки нижнего антенного элемента, и/или экранирующей пластинки нижнего антенного элемента.

20. Антенная система для приема радиосигнала по п.19, отличающаяся тем, что загнутые элементы соответствующей пластинки расположены на одной общей линии их расположения.

21. Антенная система для приема радиосигнала по п.20, отличающаяся тем, что в пространстве, образованном между упомянутой пластинкой и ее экранирующей пластинкой нижнего антенного элемента, размещена плата со схемой обработки сигнала.

22. Антенная система для приема радиосигнала по п.21, отличающаяся тем, что упомянутая плата со схемой обработки сигнала представляет собой плату с малошумящим усилителем (МШУ) или GPS-приемником с экраном.

23. Компактная двухдиапазонная антенная система для приема радиосигнала, содержащая двухдиапазонный верхний антенный элемент, под которым расположен двухдиапазонный нижний антенный элемент, двухдиапазонный верхний антенный элемент состоит из излучающей пластинки первого частотного диапазона, излучающей пластинки второго частотного диапазона, двух соответствующих им экранирующих пластинок первого и второго частотных диапазонов,
причем излучающая пластинка первого частотного диапазона расположена над экранирующей пластинкой для первого частотного диапазона, которая размещена вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности излучающей пластинки второго частотного диапазона, снизу которой расположена ее экранирующая пластинка второго частотного диапазона,
двухдиапазонный нижний антенный элемент состоит из двух экранирующих пластинок второго и первого частотных диапазонов и пластинки второго и первого частотных диапазонов, причем под экранирующей пластинкой второго частотного диапазона размещена пластинка второго частотного диапазона, которая размещена вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки первого частотного диапазона, снизу которой расположена пластинка первого частотного диапазона,
двухдиапазонный верхний антенный элемент размещен на, по меньшей мере, части поверхности двухдиапазонного нижнего антенного элемента таким образом, что экранирующая пластинка для второго частотного диапазона верхнего антенного элемента размещена вблизи к поверхности или, по меньшей мере, части поверхности экранирующей пластинки второго частотного диапазона нижнего антенного элемента,
система возбуждения включает, в частности, по меньшей мере, два сигнальных порта, которые предназначены для ввода/вывода сигналов соответствующих частотных диапазонов, полученных/переданных упомянутой антенной системой, причем излучающая пластинка первого частотного диапазона верхнего антенного элемента электрически взаимосвязана и соединена с первым сигнальным портом, а излучающая пластинка второго частотного диапазона верхнего антенного элемента электрически взаимосвязана и соединена со вторым сигнальным портом,
а двухдиапазонный верхний антенный элемент, по меньшей мере, на двух противоположных сторонах излучающей пластинки первого частотного диапазона, и/или экранирующей пластинки первого частотного диапазона, и/или излучающей пластинкой второго частотного диапазона, и/или экранирующей пластинки второго частотного диапазона, а также двухдиапазонный нижний антенный элемент, по меньшей мере, на двух противоположных сторонах пластинки второго частотного диапазона, и/или ее экранирующей пластинки второго частотного диапазона, и/или пластинки первого частотного диапазона, и/или ее экранирующей пластинки первого частотного диапазона выполнен с загнутыми элементами, расположенными тем самым ортогонально соответствующим пластинкам.

24. Антенная система для приема радиосигнала по п.23, отличающаяся тем, что в двухдиапазонном верхнем антенном элементе излучающая пластинка первого частотного диапазона электрически взаимосвязана с первым сигнальным портом, а излучающая пластинка второго частотного диапазона электрически взаимосвязана со вторым сигнальным портом, а пластинки двухдиапазонного нижнего антенного элемента изолированы от сигнального порта.

25. Антенная система для приема радиосигнала по п.24, отличающаяся тем, что в двухдиапазонном нижнем антенном элементе в пространстве между его противоположными пластинками соответствующего диапазона размещена плата со схемой обработки сигнала, например плата с малошумящим усилителем (МШУ) или GPS-приемником в экранирующем экране.

26. Антенная система для приема радиосигнала по п.23, отличающаяся тем, что она работает в режиме линейной поляризации.

27. Антенная система для приема радиосигнала по п.23, отличающаяся тем, что она работает в режиме круговой поляризации.

28. Антенная система для приема радиосигнала по п.23, отличающаяся тем, что плоскость и линия расположения упомянутых загнутых элементов находится вдоль Н-плоскости.

29. Антенная система для приема радиосигнала по любому из пп.23-28, отличающаяся тем, что упомянутые пластинки выполнены в форме круга или квадрата из листового материала с последующим загибом упомянутых загнутых элементов.

30. Антенная система для приема радиосигнала по п.29, отличающаяся тем, что упомянутые загнутые элементы представляют собой загнутые ребра.

31. Антенная система для приема радиосигнала по п.29, отличающаяся тем, что упомянутые загнутые элементы выполнены в виде двумерно-периодической системы ребер.

32. Антенная система для приема радиосигнала по п.31, отличающаяся тем, что загнутые элементы расположены по периметру соответствующих пластинок.

33. Антенная система для приема радиосигнала по любому из пп.30-32, отличающаяся тем, что упомянутые загнутые элементы пластинок выполнены загнутыми внутрь антенны так, чтобы располагаться на определенном расстоянии внешне или внутренне по отношению к другим загнутым элементам противоположных пластинок.

34. Антенная система для приема радиосигнала по п.33, отличающаяся тем, что упомянутые загнутые элементы далее загнуты и продолжены внутрь антенны так, чтобы располагаться на определенном протяжении вдоль пластинки, из которой они загнуты.

35. Антенная система для приема радиосигнала по любому из пп.30-32, отличающаяся тем, что упомянутые загнутые элементы далее загнуты наружу антенны на определенное расстояние так, чтобы располагаться на определенном протяжении вдоль пластинки, из которой они загнуты.

36. Антенная система для приема радиосигнала по п.31 или 32, отличающаяся тем, что ширина одного элемента двумерно-периодической системы ребер много меньше длины волны принимаемого сигнала, а расстояние между элементами составляет более 0.1 ширины одного элемента.

37. Антенная система для приема радиосигнала по п.36, отличающаяся тем, что загнутые элементы двумерно-периодической системы ребер, расположенные на соответствующей пластинке, имеют определенную область перекрытия на их окончаниях, образованную между расположенными противоположно и на определенном расстоянии от них загнутыми элементами двумерно-периодической системы ребер противоположной пластинки.

38. Антенная система для приема радиосигнала по п.37, отличающаяся тем, что упомянутые загнутые элементы двумерно-периодической системы ребер смещены на определенное расстояние относительно противоположных им загнутых элементов двумерно-периодической системы ребер противоположной пластинки.

39. Антенная система для приема радиосигнала по п.38, отличающаяся тем, что загнутые элементы двумерно-периодической системы ребер соответствующей пластинки расположены в промежутках между противоположными загнутыми элементами двумерно-периодической системы ребер противоположной пластинки.