ЩЕЛЕВАЯ ПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ С КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ СО СКАЧКОМ ШИРИНЫ ЩЕЛЕВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ Российский патент 2016 года по МПК H01Q13/10 

Изобретение относится к антенной технике, а именно к щелевым полосковым антеннам вытекающей волны с круговой поляризацией, и может быть применено для приема сигналов Глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) включая ГЛОНАСС, GPS, COMPASS, GALILEO и др.

Технические требования к приемным антеннам ГНСС различаются в зависимости от назначения приемников. Для точных метрологических приложений ГНСС необходима широкополосная слабонаправленная приемная антенна, обладающая стабильным фазовым центром, характеристиками идеальной правой круговой поляризации и подавлением многолучевости. Кроме того, желательно, чтобы антенна высокоточного позиционирования была низкопрофильной.

Известна щелевая спиральная антенна с круговой поляризацией с интегрированным трансформатором и фидером [Patent US 5,815,122, Filed: Jan. 11, 1996, Pub. Date: Sep.29, 1998]. Антенна выполнена на диэлектрической подложке, на которую с обеих сторон нанесен проводящий слой. В верхнем проводящем слое выполнена спиральная щелевая линия (ЩЛ). Спираль ЩЛ закручена от края антенны к ее центру.

Недостатками такой антенны являются высокий коэффициент эллиптичности (выраженный в дБ) и большая неравномерность фазовой диаграммы направленности (ДН) в азимутальной плоскости, что ограничивает применение данной антенны для приема навигационных сигналов ГНСС.

Еще одним известным изобретением является щелевая полосковая антенна вытекающей волны с излучающей структурой, включающей фрактальные петли [Patent WO 2007/009216 A1 Filed: 19 July 2005, Pub. Date: 25 January 2007]. Антенна выполнена на диэлектрической подложке с двусторонней металлизацией. На верхней стороне подложки в металле выполнены резонансные щелевые излучатели, закрученные по спирали вокруг геометрического центра антенны и включающие прямые и изогнутые сегменты различной длины. Щелевые излучатели начинаются в центральной области подложки, далее соединяются между собой и с дополнительными резонансными щелевыми излучателями, выполненными по краю диэлектрической подложки и названными «фрактальными петлями». Изменение ширины щелей в области их соединения между собой и соединения с «фрактальными петлями» выполняется для регулировки коэффициента связи между соединяемыми щелями и не связано с пучностями высокочастотного электрического поля Η-волны. Изменение ширины «фрактальных петель» выполняется для подстройки их резонансных частот и также не связано с расположением пучностей высокочастотного электрического поля Н-волны.

Данная щелевая полосковая антенна вытекающей волны с круговой поляризацией является широкополосной, слабонаправленной, низкопрофильной, обладает стабильным фазовым центром, совпадающим с геометрическим центром антенны. Однако коэффициент эллиптичности и уровень подавления кроссполяризации в такой антенне улучшены только в одном частотном диапазоне, на который настроены «фрактальные петли», расположенные по внешнему краю антенны. В других частотных диапазонах, на которые настроены внутренние отрезки соединенных между собой щелевых излучателей, коэффициент эллиптичности и уровень подавления кроссполяризации значительно ухудшаются.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является щелевая полосковая антенна вытекающей волны с круговой поляризацией [Patent US 2002/0067315 A1, Filed: 16 Aug., 1999, Pub. Date: 6 Jun., 2002]. Антенна выполнена на диэлектрической подложке с двусторонней металлизацией. В металле верхней стороны диэлектрической подложки выполнены резонансные щелевые излучатели. Щелевые излучатели не соединены между собой и имеют одинаковую ширину на протяжении всей их длинны. Электрическая длина щелевых излучателей настраивается на требуемый рабочий диапазон частот антенны. Для формирования правой либо левой круговой поляризации щелевые излучатели закручены вокруг геометрического центра антенны соответственно по правовинтовой либо левовинтовой спирали. Щелевые излучатели могут включать прямые и изогнутые сегменты одинаковой или разной длины.

Недостатками такой антенны являются: высокий коэффициент эллиптичности (выраженный в дБ) и низкий уровень подавления кроссполяризации. Данные недостатки обусловлены искажением круговой поляризации высокочастотного электрического поля Н-волны в резонансных щелевых излучателях, закрученных вокруг геометрического центра антенны по спирали.

Техническим результатом изобретения является улучшение технических характеристик антенны, в частности уменьшение коэффициента эллиптичности и увеличение подавления кроссполяризации.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемой антенне, содержащей диэлектрическую подложку, на верхней металлизированной стороне которой выполнены щелевые излучатели, закрученные по спирали вокруг геометрического центра антенны, не соединенные между собой и включающие прямые и изогнутые сегменты различной длины, новым является то, что щелевые излучатели выполнены с увеличением ширины щели в пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны.

Отличие заявляемой антенны от наиболее близкого аналога заключается в том, что на верхней металлизированной стороне диэлектрической подложки закрученные по спирали щелевые излучатели выполнены с увеличением ширины щели в пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны.

Благодаря увеличению ширины щелевых излучателей в пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны распределение высокочастотного электрического поля становится более равномерным по площади антенны, что приводит к уменьшению коэффициента эллиптичности и увеличению подавления кроссполяризации. При этом важно отметить, что увеличение ширины щелевых излучателей выполняется не по всей длине щели, не на произвольном участке щели, а именно в пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны. Увеличение же ширины щели в пучности высокочастотного магнитного поля, расположенной в центре антенны, приводит к ухудшению подавления кроссполяризации.

Изобретение поясняется фиг. 1 - фиг. 10. Данные иллюстрации являются частичным пояснением заявляемой антенны и не отражают все аспекты заявки полностью. В частности, иллюстрации фиг. 1 - фиг. 10 приведены для антенн с правой круговой поляризацией, выполненных только на полуволновой и волновой моде Н-волны.

Фиг. 1. - Верхняя сторона диэлектрической подложки заявляемых антенн; щелевые излучатели выполнены на полуволновой моде колебаний Н-волны.

Фиг. 2. - Верхняя сторона диэлектрической подложки заявляемых антенн; щелевые излучатели выполнены на волновой моде колебаний Н-волны. Скачок ширины щели выполнен только в одной пучности высокочастотного электрического поля Н-волны.

Фиг. 3. - Верхняя сторона диэлектрической подложки заявляемых антенн; щелевые излучатели выполнены на волновой моде колебаний Н-волны. Скачок ширины щели выполнен в обеих пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны.

Фиг. 4. - Коэффициент стоячей волны по напряжению заявляемых антенн, выполненных на волновой моде колебаний Н-волны со скачком ширины щели, выполненном в обеих пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны.

Фиг. 5. - Амплитудная диаграмма направленности заявляемых антенн, выполненных на волновой моде колебаний Н-волны со скачком ширины щели, выполненном в обеих пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны на частоте 1,227 ГГц при изменениях азимутального угла φ от 0° до 360°, где 75 - правая, 76 - левая круговая поляризация.

Фиг. 6. - Амплитудная диаграмма направленности заявляемых антенн, выполненных на волновой моде колебаний Н-волны со скачком ширины щели, выполненном в обеих пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны на частоте 1,246 ГГц при изменениях азимутального угла φ от 0° до 360°, где 77 - правая, 78 - левая круговая поляризация.

Фиг. 7. - Сравнение зависимостей уровней кроссполяризации от угла возвышения Θ на частоте 1,227 ГГц заявляемых антенн, выполненных на волновой моде колебаний Н-волны, где 79 - антенна со щелевыми излучателями без скачков ширины щелей, 80 - антенна со щелевыми излучателями, в которых скачок ширины щели выполнен только в одной пучности высокочастотного электрического поля Н-волны, 81 - антенна со щелевыми излучателями, в которых скачок ширины щели выполнен в обеих пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны.

Фиг. 8. - Сравнение зависимостей уровней кроссполяризации от угла возвышения Θ на частоте 1,246 ГГц заявляемых антенн, выполненных на волновой моде колебаний Н-волны, где 82 - антенна со щелевыми излучателями без скачков ширины щелей, 83 - антенна со щелевыми излучателями, в которых скачок ширины щели выполнен только в одной пучности высокочастотного электрического поля Н-волны, 84 - антенна со щелевыми излучателями, в которых скачок ширины щели выполнен в обеих пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны.

Фиг. 9. - Сравнение зависимостей коэффициентов эллиптичности от угла возвышения Θ на частоте 1,227 ГГц заявляемых антенн, выполненных на волновой моде колебаний Н-волны, где 85 - антенна со щелевыми излучателями без скачков ширины щелей, 86 - антенна со щелевыми излучателями, в которых скачок ширины щели выполнен только в одной пучности высокочастотного электрического поля Н-волны, 87 - антенна со щелевыми излучателями, в которых скачок ширины щели выполнен в обеих пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны.

Фиг. 10. - Сравнение зависимостей коэффициентов эллиптичности от угла возвышения Θ на частоте 1,246 ГГц заявляемых антенн, выполненных на волновой моде колебаний Н-волны, где 88 - антенна со щелевыми излучателями без скачков ширины щелей, 89 - антенна со щелевыми излучателями, в которых скачок ширины щели выполнен только в одной пучности высокочастотного электрического поля Н-волны, 90 - антенна со щелевыми излучателями, в которых скачок ширины щели выполнен в обеих пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны.

На фиг. 1 - фиг. 3 показаны некоторые примеры выполнения верхней стороны диэлектрической подложки (1) заявляемой щелевой полосковой антенны вытекающей волны с круговой поляризацией со скачком ширины щелевых излучателей. Диэлектрическая подложка имеет двустороннюю металлизацию. В металле верхней стороны подложки выполнены резонансные щелевые излучатели, закрученные по спирали вокруг геометрического центра антенны и не соединенные между собой. Направление закрутки определяется требуемой правой или левой круговой поляризацией.

Количество щелевых излучателей может выполняться произвольным. В частности, на фиг. 1 - фиг. 3 показаны варианты выполнения антенны с двенадцатью щелевыми излучателями. Закрученные по спирали щелевые излучатели могут включать прямые (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) и изогнутые (14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25) сегменты одинаковой или разной длины.

Геометрическая длина щелевых излучателей может быть равной или отличаться друг от друга. Она выполняется приблизительно равной половине длины волны (λ/2) либо длине волны (λ) Η-типа, распространяющейся в щелевых излучателях заявляемой антенны. При этом λ/2 или λ может определяться для произвольной частоты внутри рабочего диапазона частот антенны. В частности, на фиг. 1 показана антенна, работающая на полуволновой моде колебаний Н-волны, а на фиг. 2 и фиг. 3 показаны антенны, работающие на волновой моде колебаний Н-волны.

Для антенны, работающей полуволновой моде колебаний Н-волны (фиг. 1), уширение щелей выполняется в средней части щелевых излучателей (26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37), так как там расположена пучность высокочастотного электрического поля полуволновой моды Н-волны. Длина расширенной части щели регулируется и составляет не более половины общей длины щели.

Для антенн, работающих на высших модах колебаний Н-волны, количество пучностей высокочастотного электрического поля возрастает. В частности, волновой моде колебаний Н-волны соответствует две пучности высокочастотного электрического поля. Поэтому для антенн, выполняемых на волновой моде колебаний Н-волны (фиг. 2 и фиг. 3), скачок ширины щели может выполняться как в одной пучности высокочастотного электрического поля Н-волны (фиг. 2) (38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49), так и в обеих (фиг. 3) (50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57,58, 59, 60, 61) и (62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73).

Заявляемые антенны имеют широкий диапазон рабочих частот. На фиг. 4 показан коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) (74) антенны со щелевыми излучателями, в которых скачок ширины щели выполнен в обеих пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны. Антенна настроена на диапазоны частот: L1, L2, L3 ГЛОНАСС и L1, L2 GPS. При необходимости частотный диапазон может быть расширен. КСВН остальных заявляемых антенн подобен.

На фиг. 5 и фиг. 6 приведены ДН на частотах 1,227 и 1,246 (ГГц) соответственно для заявляемой антенны со щелевыми излучателями, в которых скачок ширины щели выполнен в обеих пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны, где 75 и 77 - правая круговая поляризация, 76 и 78 - левая круговая поляризация. Видно, что ДН антенны широкоугольные, с резким спадом. ДН остальных заявляемых антенн подобны.

С помощью предложенного нового технического решения удается значительно улучшить технические характеристики заявляемой щелевой полосковой антенны вытекающей волны с круговой поляризацией со скачком ширины щелевых излучателей. На фиг. 7 и фиг. 8 приведено сравнение зависимостей уровней кроссполяризации от угла возвышения Θ для заявляемых антенн, выполненных на волновой моде колебаний Н-волны на частотах 1,227 и 1,246 (ГГц) соответственно, где Θ=0 - зенит ДН антенны. Видно, что предлагаемое новое техническое решение позволяет значительно увеличить подавление кроссполяризации. На фиг. 9 и фиг. 10 приведено сравнение зависимостей коэффициентов эллиптичности от угла возвышения Θ для антенн, выполненных на волновой моде колебаний Н-волны на частотах 1,227 и 1,246 (ГГц) соответственно, где Θ=0 - зенит ДН антенны. Видно, что предлагаемое новое техническое решение позволяет значительно уменьшить коэффициент эллиптичности.

Антенна работает следующим образом. СВЧ-сигнал с круговой поляризацией принимается резонансными щелевыми излучателями, закрученными по спирали вокруг геометрического центра антенны. Электрические длины щелевых излучателей настроены на необходимый рабочий диапазон частот антенны. Благодаря увеличению ширины щели щелевых излучателей в пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны улучшается коэффициент эллиптичности и увеличивается подавление кроссполяризации, что позволяет повысить точность позиционирования по сигналам ГНСС.

Использование: антенная техника, а именно в щелевых полосковых антеннах вытекающей волны с круговой поляризацией, и может быть применено для приема сигналов Глобальных навигационных спутниковых систем, включая ГЛОНАСС, GPS, COMPASS, GALILEO. Сущность: щелевая полосковая антенна вытекающей волны с круговой поляризацией со скачком ширины щелевых излучателей включает диэлектрическую подложку, на верхней металлизированной стороне которой выполнены щелевые излучатели, закрученные по спирали вокруг геометрического центра антенны, не соединенные между собой и включающие прямые и изогнутые сегменты различной длины. При этом щелевые излучатели выполнены с увеличением ширины щели в пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны. Технический результат: улучшение технических характеристик антенны, в частности уменьшение коэффициента эллиптичности и увеличение подавления кроссполяризации. 10 ил.

Щелевая полосковая антенна вытекающей волны с круговой поляризацией со скачком ширины щелевых излучателей, включающая диэлектрическую подложку, на верхней металлизированной стороне которой выполнены щелевые излучатели, закрученные по спирали вокруг геометрического центра антенны, не соединенные между собой и включающие прямые и изогнутые сегменты различной длины, отличающаяся тем, что щелевые излучатели выполнены с увеличением ширины щели в пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны.