Низкопрофильная фазированная спутниковая антенна Российский патент 2023 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к области средств радиосвязи и может быть использовано для приема и передачи сигнала спутниковых частот, как на неподвижных, так и подвижных объектах, например, на наземном и водном транспорте, на поездах, на самолетах и др.

Потребности в услугах, предоставляемых в сетях подвижной спутниковой связи, постоянно растут и для их удовлетворения необходима организация высокоскоростных каналов с улучшенными электродинамическими характеристиками. Решение указанной задачи возможно на основе применения в составе комплексов спутниковой связи низкопрофильных антенных модулей, использующих электромеханическое формирование диаграммы направленности при жестких требованиях к массогабаритным характеристикам.

Создание низкопрофильных спутниковых терминалов позволит значительно расширить возможности по оснащению спутниковой связью транспортных средств различного вида.

Известна [1 - Патент RU №2365000 "Фазированная антенна с круговой пространственной поляризацией", опубл. 20.08.2009 Бюл. №23], содержащая многослойную фазированную антенную решетку, имеющую с лицевой стороны n-прямоугольных ячеек, которые представляют собой рупорные излучатели, возбуждаемые квадратными волноводами, содержащими поляризатор с согласующими элементами. К излучателям подведены волноводы по двухуровневой распределительной системе, расположенной в разных слоях антенны. Недостатками данной антенны являются сложность изготовления рупорных излучателей, высокий профиль антенны (при приеме/передаче сигнала со спутника в северных районах, где низкий угол места).

Известна [2 - Патент-US 7,102,571 В2 "Offset stacked patch antenna and method" с приоритетом 13.05.2004 г.] содержащая многослойную фазированную антенную решетку, причем нижний слой представляет собой диэлектрик с активной микрополосковой структурой и металлической подложкой, а верхние слои являются диэлектриками, на которых расположены пассивные элементы со сдвигом, образующие пассивную микрополосковую структуру, обеспечивающую наклон диаграммы направленности антенны под определенным углом относительно ее плоскости. Недостатками антенны являются большие габариты, обусловленные необходимостью наклона всей конструкции при настройке на спутник.

Известна [3 - Патент RU №2667340 "Микрополосковая антенна", опубл. 18.09.2018 Бюл. №26], содержащая 5 диэлектрических слоев с печатными излучателями и делитель мощности, причем диэлектрическая проницаемость второго диэлектрического слоя порядка 1. Недостатком антенны является маленький коэффициент усиления сигнала и большие габариты, обусловленные необходимостью наклона конструкции при настройке на спутник.

Известна [4 - Патент-US 6,856,300 В2 "Feed network and method for an offset stacked patch antenna array" с приоритетом 13.05.2004 г.] содержащая многослойную фазированную антенную решетку, причем нижний слой представляет собой диэлектрик с активной микрополосковой структурой и металлической подложкой, а верхние слои являются диэлектриками, с расположенными на них пассивными патч элементами со смещением по горизонтали, которые образуют пассивную микрополосковую структуру. Причем активная микрополосковая структура имеет выводы для приема/передачи сигналов левой и правой поляризации. Недостатками антенны, построенной в соответствии с данным патентом являются большие габариты, обусловленные необходимостью наклона конструкции при настройке на спутник.

Известна [5 - Патент-US 6,977,614 В2 "Microstrip transition and network" с приоритетом 14.07.2005 г.] содержащая многослойную фазированную антенную решетку, причем нижний слой представляет собой диэлектрик с активной микрополосковой структурой и металлической подложкой, а верхние слои являются диэлектриками с расположенными на них пассивными элементами со смещением, которые образуют пассивную микрополосковую структуру. С активной микрополосковой структуры выводятся сигналы левой и правой поляризации и поступают в верхнюю (первую) металлическую многоканальную волноводную подложку, каждая канавка которой имеет по одному щелевому выходу сигнала на нижнюю волноводную поверхность, где сигналы фазируются, суммируются и поступают на вход/выход антенны. Вся конструкция механически управляется по азимуту и углу места. Недостатком антенны является большие габариты, обусловленные необходимостью наклона фазированной решетки при настройке на спутник с низким углом места.

Наиболее близким, прототипом, изобретения является [5 - Патент-US 6,977,614 В2].

Целью изобретения являются уменьшение габаритов спутниковой антенны.

Это достигается тем, что введены второй и третий многоканальные волноводы, устройство для регулирования линии задержки и сумматоры сигналов левой и правой поляризаций.

Антенна содержит пассивную микрополосковую структуру 1, активную микрополосковую структуру 2, металлическую подложку 3, первый металлический многоканальный волновод 4, второй металлический многоканальный волновод 5, тромбоны левый 6, и правый 7, третий металлический многоканальный волновод 8, с левым 9 и правым 10 сумматорами, металлическую крышку 11, для третьего волновода, зонд запитки активный 12, узел возмущений 13, переход 14 для сигнала из первого волновода во второй, первый 15 и второй 16 входы/выходы антенны.

Заявляемая совокупность элементов и связей позволяет достичь поставленной цели за счет оригинального сочетания используемых в телекоммуникационных сетях приборов и устройств как в их прямом, так и в нестандартном применении.

Изобретение иллюстрируется графически:

На фиг. 1 приведен общий вид фазированной антенной решетки.

На фиг. 2 приведено расположение активных и пассивных микрополосковых структур.

На фиг. 3 изображен фрагмент пассивной микрополосковой структуры.

На фиг. 4 изображен фрагмент активной микрополосковой структуры.

На фиг. 5 изображен элемент активной микрополосковой структуры.

На фиг. 6 изображен многоканальный волновод с сумматорами и тромбонами.

На фиг. 7 приведена зависимость коэффициента усиления антенного элемента от угла отклонения фронта сигнала от вертикали.

Пассивная микрополосковая структура 1 (фиг. 1.) состоит из, например, трех пластин, каждая из которых содержит диэлектрик (фиг. 2.) 21, 22, и 23, на которых закреплены диэлектрические пленки 24, 25 и 26 соответственно, причем на пленках расположены металлические пассивные элементы 18, 19 и 20, причем элементы 17, 18, 19 и 20 смещены друг относительно друга, например на 45°, при этом верхний диэлектрик 23 имеет толщину около λ/4 (четверть длинны волны), а диэлектрики 21 и 22 имеют толщину около λ/8. Таким образом, толщина набора из трех пластин составляет, например, около 8 мм. Для расчетов используют длину волны центральной рабочей частоты антенны. Более точные размеры вычисляют методом математического моделирования с использованием специализированного программного обеспечения, например, CST STUDIO SUITE, MATLAB и др.

На фиг. 1 и 2. также изображены листовой диэлектрик 2 с активной микрополосковой структурой 17, который имеет электрический контакт с зондом запитки 12 и металлическую подложку 3, причем микрополосковая структура 17 закреплена на листовом диэлектрике 2, который в свою очередь закреплен на металлической подложке 3. При этом части 1, 2 и 3 антенны скреплены между собой (например, надежно склеены).

На фиг. 3 приведен фрагмент пассивной микрополосковой структуры, где на диэлектрической пленке 28 расположены пассивные элементы 27, имеющие, например, форму круглых патчей, усеченных с двух сторон, для приема/передачи сигналов круговой поляризаций или квадратов, для приема/передачи сигналов линейной поляризации. Элементы 27 также могут иметь другие геометрические формы и располагаются друг от друга на расстоянии около одной длинны волны λ.

На фиг. 4 изображен фрагмент активной микрополосковой структуры, которая имеет зонды запитки 12 для восьми активных патч элементов 29 с соответствующими связями, форма и размеры которых учитывают угол сдвига слоев структуры 1 и 2 по отношению к фронту набегающей плоской волны.

На фиг. 5 показан подробный вид патч элемента 29 активной микрополосковой сети, имеющий центральную ось, параллельную усеченным сторонам элемента. Рассматривая точку запитки элемента справа от оси по часовой стрелке R, в одной из точек, обозначенных буквой r, или слева от оси по часовой стрелке L, в одной из точек, обозначенных буквой l можно получить сигналы правой и левой поляризации соответственно.

Таким образом, сеть на фиг. 4 можно рассматривать как антенную решетку, способную принимать поляризованные сигналы как правой R, так и левой L поляризаций от спутника, поскольку антенные патч элементы могут иметь как правое, так и левое расположение точек запитки относительно центральной оси, описанной ранее. Дополнительно отметим, что, как известно, фазовый сдвиг на 180° обеспечивается между точками запитки, первой, помеченной как r с одной стороны и второй, помеченным как r расположенной по диагонали от первой, а также аналогично между точками запитки, помеченными как l по другой диагонали друг от друга.

На фиг. 6. изображен многоканальный волновод с симметричным расположением, относительно вертикальной оси, деталей, а именно, левым тромбоном 6, правым тромбоном 7, с левым сумматором 9, правым сумматором 10, левым 30 и правым 31 направляющим, причем направляющие перемещают тромбоны в зависимости от угла падения сигнала со спутника ретранслятора.

На фиг. 7. приведена зависимость коэффициента усиления антенного элемента от угла отклонения фронта сигнала от вертикали.

Спутниковая антенна работает следующим образом.

Антенна, управляемая специализированным контроллером, при настройке на спутник ретранслятор, проворачивается относительно своей вертикальной оси, причем антенная решетка все время находится в горизонтальном положении, так как отсутствует привод для наклона. Конструкция антенны обеспечивает приемлемый коэффициент усиления, при отклонении диаграммы направленности относительно вертикали, например, в пределах от 15° до 75°. Это обеспечивается тем, что активные и пассивные элементы 17, 18, 19 и 20 смещены друг относительно друга, например, на угол 45°.

Принятый сигнал с зондов активной запитки 12 наводится на зонды возмущения 13, которые расположены по всей длине волноводов первого волновода 4, где образуется волна типа Н₁₀. Сигнал с первого волновода 4, через переходные щели 14 поступает в соответствующие каналы второго многоканального волновода 5, откуда через тромбоны 6 и 7 сигнал поступает в левые и правые каналы третьего многоканального волновода 10. Далее сигналы поступают в левый 9 и правый 10 сумматоры, где происходит синфазное сложение сигналов. Выходы сумматоров 15 и 16 являются входами/выходами антенны левой L и правой R поляризаций соответственно.

Тромбоны 6 и 7 служат как для передачи сигнала между волноводами, так и в качестве изменяемой линии задержки сигналов для согласования фаз.

Фазированные и последующее сложение сигналов при изменении угла наклона диаграммы направленности антенны осуществляется с помощью левых 30 и правых 31 направляющих, причем направляющие, по сигналам управления от контроллера, перемещают тромбоны в зависимости от угла падения (угла отклонения от вертикальной оси) сигнала со спутника ретранслятора.

Угол θ отклонения направляющей 31(30) от вертикальной оси равен:

θ=1/2×к×arctg(sinα);

где к - коэффициент, корректирующий диаграмму направленности пассивных элементов 27 (определяется по результатам математического моделирования антенны)

- 1/2 - учитывает длину одной половины тромбона как линии задержки, так как имеет "U"-образную форму.

- α - угол падения сигнала со спутника относительно плоскости антенны.

Таким образом, антенна, установленная как на неподвижных, так и подвижных объектах, может использоваться для приема/передачи высокочастотного сигнала со спутника ретранслятора для предоставления различного вида услуг, таких как высокоскоростной доступ в интернет, цифровое телевидение, IP телефония, видео конференц связь, передача и прием различного вида данных и др.

Изобретение соответствует критерию "изобретательский шаг", так как включает совокупность существенных признаков с соответствующими связями, а именно второй и третий многоканальные волноводы, устройство для регулирования физической длины линий задержки и групповые сумматоры сигналов левой и правой поляризации.

Техническое решение является "новым", так как указанная совокупность существенных признаков позволяют организовать спутниковую связь на объектах и при изменении угла падения сигнала со спутника автоматически, при помощи контроллера управления, регулировать длину линий задержки, и так как антенная решетка все время находится в горизонтальном положении, то приведенная совокупность позволяет уменьшить высоту профиля антенны без ухудшения коэффициента усиления сигнала.

Заявляемая низкопрофильная фазированная спутниковая антенна обеспечивает спутниковую связь и может быть реализована с использованием существующей аппаратуры и оборудования, средств электротехники и связи, телекоммуникационных средств, вычислительной техники и является "промышленно применимым".

1. Патент RU №2365000 "Фазированная антенна с круговой пространственной поляризацией", опубл. 20.08.2009 Бюл. №23.

2. Патент-US 7,102,571 В2 "Offset stacked patch antenna and method" с приоритетом 13.05.2004 г.

3. Патент RU №2667340 "Микрополосковая антенна", опубл. 18.09.2018 Бюл. №26.

4. Патент US 6,856,300 В2 "Feed network and method for an offset stacked patch antenna array" с приоритетом 13.05.2004 г.

5. Патент US 6,977,614 B2 "Microstrip transition and network" с приоритетом 14.07.2005 г.

Изобретение относится к радиотехнике и служит для приема и передачи сигнала спутниковых частот на неподвижных и подвижных объектах. Технический результат - уменьшение габаритов спутниковой антенны. Предложена приемная/передающая фазированная спутниковая антенна круговой поляризации, содержащая n пассивных микрополосковых структур, состоящих из диэлектрических пластин, на поверхности которых располагаются металлические пассивные элементы, и пластины скреплены между собой, причем пассивные элементы, начиная с первой пластины снизу, сдвинуты в одном направлении, металлическую заземляющую пластину, на верхней поверхности которой закреплен диэлектрик с активными микрополосковыми элементами, который образует активную упорядоченную структуру, а на нижнюю поверхность выведены питающие зонды, которые имеют электрическую связь с активными элементами, сигналы с зондов поступают в первый многоканальный групповой волновод с элементами возмущения, при этом каждый волноводный канал в нижней части имеет по одному переходному отверстию для выхода сигнала, отличающаяся тем, что в нее введены второй и третий многоканальные групповые волноводы, устройство для регулирования физической длины линий задержки и групповые сумматоры сигналов левой и правой поляризации. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Приемная/передающая фазированная спутниковая антенна круговой поляризации, содержащая n пассивных микрополосковых структур, состоящих из диэлектрических пластин, на поверхности которых располагаются металлические пассивные элементы, и пластины скреплены между собой, причем пассивные элементы, начиная с первой пластины снизу, сдвинуты в одном направлении, металлическую заземляющую пластину, на верхней поверхности которой закреплен диэлектрик с активными микрополосковыми элементами, который образует активную упорядоченную структуру, а на нижнюю поверхность выведены питающие зонды, которые имеют электрическую связь с активными элементами, сигналы с зондов поступают в первый многоканальный групповой волновод с элементами возмущения, при этом каждый волноводный канал в нижней части имеет по одному переходному отверстию для выхода сигнала, отличающаяся тем, что в нее введены второй и третий многоканальные групповые волноводы, устройство для регулирования физической длины линий задержки и групповые сумматоры сигналов левой и правой поляризации.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью регулировки времени задержки сигналов путем перемещения волноводных вставок "U"-образной формы типа тромбон, причем при помощи механизма возможно свободное перемещение тромбонов внутри второго и третьего волноводных каналов.

3. Антенна по п. 2, отличающаяся тем, что третий волновод содержит структуру сумматоров сигналов левой и правой поляризации, причем входы/выходы сумматоров являются входами/выходами левой L и правой R поляризации антенны, соответственно.