Двухполяризационная коллинеарная антенна Российский патент 2023 года по МПК H01Q21/08 H01Q21/10 H01Q21/28 

Область применения

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для построения планарных антенн с возможностью приёмо-передачи СВЧ сигналов ортогональных линейных поляризаций, применяемых в многоканальных системах беспроводной широкополосной связи и автомобильных системах контроля, слежения, безопасности, в том числе, дорожных радарах высокого разрешения.

Уровень техники

В настоящее время средства беспроводной широкополосной связи и высокоточные радары миллиметровых волн обретают повсеместное применение, что способствует быстрому развитию современных СВЧ технологий как в области построения приёмо-передающих трактов, так и антенных систем. В соответствии с новыми беспроводными стандартами и способами обработки сигналов требуются малогабаритные, широкополосные антенные решётки (АР), обеспечивающие работу на ортогональных поляризациях, а также позволяющие формировать линейные массивы излучателей для MIMO систем.

Известна коллинеарная антенна (патент RU2690694, МПК H01Q9/20, опубл. 05.06.2019), которая содержит основание и связанную с ним излучающую часть, включающую в себя, по меньшей мере, два симметричных вертикальных диполя, соединенных линиями питания. Антенна снабжена радиопрозрачным кожухом, выполненным из стеклопластика, в который помещена излучающая часть. Каждый из диполей состоит из двух металлических ступенчатых втулок, обращенных друг к другу сторонами меньшего диаметра, соединенных между собой втулками, выполненными из политетрафторэтилена.

Недостатками известной антенны являются достаточно высокая сложность реализации, что на частотах сантиметрового и миллиметрового диапазонов полностью исключает её применение. Коллинеарное расположение излучателей в представленной конструкции подразумевает использование исключительно последовательного возбуждения, что влечёт к частотной зависимости направления максимума диаграммы направленности (ДН) и, соответственно, резкому снижению допустимого количества вибраторов при широкой заданной полосе пропускания. Современные средства связи занимают широкий спектр частот с относительной полосой 10-20%, при этом требуются высоконаправленные антенны с узким лучом, по крайней мере, в угломестной плоскости. Рассматриваемая коллинеарная антенна не обладает частотной стабильностью направленных характеристик, а также отсутствует возможность получения ортогональной поляризации без поворота антенны в горизонтальное положение.

Известна компактная вертикальная антенная решётка из вертикальных вибраторов, пространственно совмещённых с опорой (патент RU2573224, МПК H01Q21/20, опубл. 20.01.2016), с построением вибраторов на основе коаксиальных резонаторов при теоретическом отсутствии ограничений на число элементов и усиление. Она реализуется в виде вертикального стержня с возможностью размещения его в диэлектрическом укрытии, выполненном в форме трубы. Развязка между излучателями реализована посредством использования четвертьволновых коаксиальных резонаторов, которые конструктивно разделяют излучатели, где длины таких резонаторов реализуются укороченными на величину, определяемую из условия компенсации паразитных емкостей, возникающих между торцевыми поверхностями смежных вибраторов.

В такой АР, по сравнению с выше указанным вариантом, отсутствует недостаток касательно ограничения достаточно большого числа излучателей для формирования узкой ДН и высокого коэффициента усиления. Однако полностью коаксиальная реализация как излучающей, так и питающей части АР резко снижает её применимость, начиная от сантиметровых волн, ввиду высокой сложности исполнения и повторения амплитудно-фазовых соотношений, определяющих частотную картину направленных характеристик, а также миниатюрности деталей, что в определённых случаях приводит к вырождению размеров излучателей и линий питания. В итоге рассматриваемая АР, даже при параллельном способе возбуждения, не позволяет строить на её основе современные антенные системы, которые входят в базовые станции LTE и 5G стандартов. Кроме того, отсутствует возможность получения ортогональной поляризации без поворота антенны в горизонтальное положение.

Известна вибраторная сверхвысокочастотная антенна с расширенным рабочим диапазоном (патент RU2281589, МПК H01Q9/16, опубл. 10.08.2006). Сущность изобретения состоит в том, что каждое плоское плечо симметричного полуволнового вибратора выполнено из трёх широких проводящих полуколец, шарнирно соединённых между собой концами и разворачивающихся на 90° последовательно друг за другом. Плечи вибратора зеркально симметричны и в средних точках верхних полуколец короткозамкнуты между собой посредством проводящей перемычки.

Указанная антенна изначально рассчитана на метровые и дециметровые волны, при этом обладает широкой полосой пропускания с присущей вибраторным антеннам тороидальной ДН. Недостаток конструкции, касательно объёмного исполнения в виде отдельных металлических деталей, можно обойти реализацией на печатной плате. Однако предполагается использование отдельных плат для шарнирного соединения с целью настройки согласования. Такой подход непригоден при построении АР, где требуется устойчивое соединение элементов конструкции и построение единой системы питания излучателей с заданным амплитудно-фазовым распределением. Точность расположения излучателей и длины фидерных линий при правильно выбранных сопротивлениях в каждом узле системы питания определяет минимальную реализуемую погрешность значений комплексных амплитуд возбуждения. В итоге рассматриваемая антенна не позволяет на её основе строить многоэлементные линейные АР, при том имеет только одну поляризацию.

Все перечисленные антенны имеют коллинеарное расположение излучателей и вертикальную пространственную ориентацию, тем не менее непригодны для построения планарных АР беспроводных широкополосных систем связи или авто-систем слежения и безопасности. Причинами являются коаксиальное исполнение, чрезмерно частотно-зависимая система питания, невысокий коэффициент усиления, всенаправленность излучения в горизонтальной плоскости, отсутствие второй ортогональной поляризации при неизменной вертикальной ориентации антенн.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является всенаправленная планарная микрополосковая антенна (R. Bancroft, B. Bateman. “An Omnidirectional Planar Microstrip Antenna“ in IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 52, No. 11, pp. 3151-3153, November 2004), которая состоит из верхнего и нижнего слоёв. Нижний слой начинается с широкой линии, которая затем чередуется между узкими и широкими секциями до тех пор, пока широкая секция не завершит антенну. Верхний слой начинается с узкой линии, которая короткозамкнута на центр широкой линии, расположенной на нижнем слое. Линии на верхнем слое далее чередуются от широкой к узкой, дополняя сменяющиеся узкие и широкие линии, расположенные на нижнем слое. Последняя верхняя линия является узкой и короткозамкнута на центр последней широкой нижней линии. Длина каждой секции составляет около 0,275 длины волны в свободном пространстве. Ширина узкой секции выбирается такой, что её форма образует 50-омный микрополосок с противоположной стороной, выступающей в качестве земляного полигона. Широкие секции примерно в 5 раз шире узких. Антенна питается через зонд, расположенный на соединении первой узкой линии и следующей широкой.

Выбранный прототип характеризуется частотной зависимостью направления максимума ДН из-за возбуждения антенны в одной точке с её края. Увеличение количества элементов сопровождается более быстрым спадом коэффициента усиления в рабочей полосе частот, так как значение отклонения луча становится сопоставимым с шириной ДН или превосходит её. Наличие короткозамкнутого отверстия рядом с точкой возбуждения приводит к ухудшению импедансных свойств – волна электрического тока, отражаясь от такого участка с нулевым сопротивлением, возвращает бόльшую часть неизлученной мощности на вход антенны, тем самым ухудшая согласование на всех частотах, отличных от резонансной частоты. Таким образом, все перечисленные факторы определяют узкополосность рассматриваемой АР. Применение зондового способа возбуждения также является существенным недостатком в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. Отсутствие рефлектора не позволяет обеспечить приём и излучение только в переднем полупространстве, что важно, например, для абонентских базовых станций. Критической проблемой для двухполяризационных систем является отсутствие второй ортогональной поляризации при условии неизменной вертикальной ориентации антенн, где требуется организация массивов излучателей с параллельным расположением решёток.

Сущность изобретения

Техническая задача направлена на создание двухполяризационной многоэлементной планарной антенны с заданным уровнем боковых лепестков, позволяющей осуществлять приёмо-передачу широкополосных или сверхширокополосных сигналов.

Техническим результатом предложенного решения является обеспечение одновременной приёмо-передачи сигналов линейной ортогональной поляризации при уровне межканальной развязки
не менее 35 дБ, обеспечение работоспособности в непрерывной широкой или сверхширокой полосе частот, определяемой занимаемым спектром (Federal Communication Commission USA (FCC) 02-48, ET Docket 98-153, First Report and Order, April 2002), управление амплитудным распределением с точностью не хуже ±0,5 дБ, простота конструкции.

Основной технический результат достигается тем, что двухполяризационная коллинеарная антенна, выполненная в виде печатной платы и включающая первую антенную решётку, состоящую из излучателей электрического типа, возбуждаемых волной электрического тока и представляющих собой полуволновые отрезки несимметричных микрополосковых линий, причём соседние излучатели электрического типа соединены так, что концы микрополосковых линий перекрещиваются, образуя структуру, подобную меандру, согласно предложенному решению, в неё дополнительно введены вторая антенная решётка, ориентированная параллельно первой, и состоящая из излучателей магнитного типа, возбуждаемых волной эквивалентного магнитного тока и ориентированных вдоль линии возбуждения, рефлектор, являющийся общим для обеих антенных решёток, таким образом, что в результате образованы независимые антенные решётки ортогональной линейной поляризации с последовательно-параллельным способом возбуждения, при этом центральные излучатели электрического и магнитного типа выполнены более низкоомными, чем остальные, центральные излучатели электрического типа выполнены с воздушными окнами на входе с линией возбуждения, крайние излучатели электрического типа имеют ёмкостную нагрузку, а крайние излучатели магнитного типа соединены с линией возбуждения, нагруженной на короткий высокоомный участок, при этом каждая независимая антенная решётка имеет не менее двух точек питания, расположенных на отрезке, кратном электрической длине волны в соответствии с последовательно-параллельным способом возбуждения, а каждая точка питания имеет заданную комплексную амплитуду возбуждения, причём значения комплексных амплитуд обеспечены неравновесной системой распределения мощности для каждой антенной решётки, а неравновесная система распределения мощности выполнена в соответствии с параллельной или последовательно-параллельной схемой.

В частном случае реализации, в двухполяризационной коллинеарной антенне, согласно предложенному решению, печатная плата выполнена многослойной.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется рисунками, где представлены: на фиг. 1 – общий вид двухполяризационной секторной АР C-диапазона; на фиг. 2 – участок топологии АР с излучателями электрического типа, возбуждаемыми волной электрического тока; на фиг. 3 – участок топологии АР с излучателями магнитного типа, возбуждаемыми волной эквивалентного магнитного тока; на фиг. 4 – фотоизображение макета многослойной АР с низким УБЛ, возбуждаемой волной электрического тока, для дорожного радара K-диапазона; на фиг. 5 – S-параметры двухполяризационной секторной АР C-диапазона, где сплошная линия соответствует коэффициентам отражения, пунктирная – межканальной развязке; на фиг. 6 – нормированные ДН на нижней частоте рабочего диапазона двухполяризационной секторной АР C-диапазона; на фиг. 7 – нормированные ДН на верхней частоте рабочего диапазона двухполяризационной секторной АР C-диапазона; на фиг. 8 – коэффициент отражения (КО) многослойной АР K-диапазона; на фиг. 9 – ДН на нижней, центральной и верхней частоте многослойной АР K-диапазона.

Фиг. 1-3 имеют полупрозрачное выделение подложки печатной платы для более наглядного изображения.

Осуществление изобретения

Техническая реализация изобретения с использованием всех существенных признаков рассмотрена на примере печатной двухслойной АР С-диапазона. Допускается применение многослойных структур в зависимости от объекта разработки и его предназначения, например, для антенных систем радаров Ku, K-диапазонов и выше, где требуется дополнительная экранировка системы распределения мощности или преследуются другие цели, в частности упрощение сборки, минимизация количества деталей, совмещение приёмо-передающего тракта или электронных вычислителей с печатной платой антенны.

Заявляемая двухполяризационная коллинеарная антенна состоит из печатной платы 1, на которой нанесена первая антенная решётка с излучателями электрического типа 2 и вторая антенная решётка с излучателями магнитного типа 3, расположенной над общим рефлектором 4 на расстоянии около четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Первая и вторая антенная решётки разнесены между собой на расстояние, минимальное значение которого определяется размерами системы распределения мощности 5, либо на расстояние, максимальное значение которого выбирается в зависимости от минимальной заданной межканальной развязки по требованию. Антенные решётки связаны с общим земляным полигоном 6 посредством четвертьволновых короткозамкнутых шлейфов 7 для обеспечения сброса статического электричества по требованию. Каждая антенная решётка снабжена отдельной неравновесной системой распределения мощности 5, гальванически соединённой с микрополосковой линией возбуждения 8 излучателей электрического типа 2 и щелевой линией возбуждения 9 излучателей магнитного типа 3 посредством ёмкостной лицевой связи. Питание антенны осуществлено через коаксиальную линию 10, симметрирующее устройство 11 и систему распределения мощности 5.

Применение излучателей электрического и магнитного типов 2 и 3, в качестве которых выступают дипольные и щелевые элементы, возбуждаемые волной электрического тока и волной эквивалентного магнитного тока соответственно, образует независимые АР ортогональной линейной поляризации.

Осуществление возбуждения волнами электрического и эквивалентного магнитного токов, проводящими СВЧ структурами которых являются несимметричная микрополосковая 8 и щелевая 9 линии соответственно, создаёт параллельно ориентированные и независимые линейные системы питания с сонаправленными волнами тока, при этом плоскости колебания электрической компоненты поля излучения соответствующих АР являются взаимоортогональными.

Выполнение центральных излучателей 2 и 3 каждой соответствующей АР более низкоомными, по сравнению с остальной частью, обеспечивает компенсацию наведённых сопротивлений от соседних элементов, что улучшает согласование и повышает амплитуду излучения.

Выполнение нескольких центральных излучателей 2 электрического типа с воздушными окнами в виде вырезов на входе с линией возбуждения позволяет регулировать реактивную составляющую полного сопротивления таких элементов, что улучшает согласование.

Реализация ёмкостной нагрузки на краях АР с излучателями 2 электрического типа решает задачу снижения отражения части неизлученной мощности от холостоходных участков, что значительно расширяет полосу согласования, при этом является более широкополосным способом по сравнению с реализацией короткого замыкания на расстоянии четверти электрической длины волны.

Соединение крайних излучателей 3 магнитного типа с линией возбуждения, нагруженной на короткий высокоомный участок, позволяет значительно снизить паразитное излучение открытых краёв АР, что уменьшает уровень дальних боковых лепестков (УБЛ).

Ориентация излучателей 3 магнитного типа вдоль линии возбуждения не препятствует распространению волны эквивалентного магнитного тока, при этом плоскость поляризации АР, построенной на их основе, ортогональна плоскости собственных колебаний волны эквивалентного магнитного тока.

Коллинеарное исполнение каждой независимой АР уменьшает её поперечные размеры и повышает эффективность излучения.

Применение последовательно-параллельного способа возбуждения улучшает диапазонные свойства АР ввиду частотной стабильности направления и формы ДН, при этом теоретически не ограничивает общую протяжённость АР для достижения высокой направленности.

Введение не менее двух точек питания заданной комплексной амплитуды обеспечивает последовательно-параллельное возбуждение АР и позволяет управлять УБЛ в широкой полосе частот.

Расположение точек питания на отрезке, кратном электрической длине волны, обеспечивает синфазное возбуждение последовательных участков АР на соответствующей частоте.

Применение неравновесной системы распределения мощности 5 решает техническую сторону задачи синтеза ДН, при этом дополнительное изменение расстояния между точками питания кратно электрической длине волны обеспечивает регулирование амплитудного распределения вдоль АР с точностью не хуже ±0,5 дБ.

Выполнение неравновесной системы распределения мощности 5 в соответствие с параллельной схемой максимально расширяет полосу пропускания АР по требованию. С целью снижения потерь, особенно на частотах, лежащих выше X-диапазона, рекомендуется диагональное соединение ступеней деления/суммирования.

Выполнение неравновесной системы распределения мощности в соответствие с последовательно-параллельной схемой снижает уровень потерь, так как снижается общая длина линий, что, соответственно, приводит к уменьшению её поперечных размеров.

В частном случае реализации, в двухполяризационной коллинеарной антенне, печатная плата выполнена многослойной и содержит более одного диэлектрического основания в соответствии с требованиями стандартов международной ассоциации производителей электроники (IPC).

Работа устройства

Рассматриваемая двухполяризационная антенна является пассивным СВЧ устройством, в котором отсутствуют активные элементы или невзаимные узлы типа ферритов, поэтому все антенные характеристики идентичны как в режиме передачи, так и в режиме приёма. Для удобства описания работы устройства пусть его функционирование происходит на излучение.

На вход коаксиальной линии 10 подается СВЧ сигнал некоторой мощности, поступающий через симметрирующее устройство 11 на первое звено системы распределения мощности 5. Затем сигнал, распространившись через все звенья, поступает на вход каждой точки питания АР и путём гальванической или ёмкостной лицевой связи, выполненных в виде специальных переходов с микрополосковой 8 и щелевой 9 линией возбуждения соответственно. Соотношение амплитуд между точками питания каждой АР задано системой распределения мощности 5 для достижения требуемого УБЛ. Далее СВЧ сигнал, представляющий собой волну электрического тока и волну эквивалентного магнитного тока, распространяется вдоль микрополосковой 8 и щелевой 9 линий возбуждения соответственно. Последовательно-параллельные участки АР с излучателями электрического типа 2 и излучателями магнитного типа 3, обладая высоким сопротивлением излучения, отдают часть мощности в свободное пространство, при этом каждый следующий согласованный излучатель, удалённый от точки питания, отдаёт меньше мощности ввиду части излучения предыдущими излучателями. Такой фактор ограничивает максимальное количество последовательных излучателей, поэтому для увеличения их общего количества в АР требуется введение дополнительных параллельных участков.

Использование ёмкостной нагрузки 12 и высокоомного короткого участка щелевой линии 13 на краях АР обуславливает режим квазистоячей волны, вследствие чего эффективность излучения не уступает вариантам с короткозамкнутыми краями. Таким образом, излучатели электрического типа 2 и излучатели магнитного типа 3, расположенные в области каждой пучности волн вдоль линий возбуждения 8 и 9, формируют поле излучения линейных ортогональных поляризаций. Частотное смещение геометрического положения пучностей, определяющих зависимость усиления двухполяризационной коллинеарной антенны, зависит от ширины рабочей полосы частот и правильно выбранного соотношения количества последовательных излучателей и параллельных участков АР.

Таким образом, применение заявляемого технического решения позволяет обеспечить одновременную приёмо-передачу сигналов линейной ортогональной поляризации при уровне межканальной развязки
не менее 35 дБ, работоспособность в непрерывной широкой или сверхширокой полосе частот, определяемой занимаемым спектром (Federal Communication Commission USA (FCC) 02-48, ET Docket 98-153, First Report and Order, April 2002), управление амплитудным распределением с точностью не хуже ±0,5 дБ, простоту конструкции (фиг. 5 – фиг. 9).

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для построения планарных антенн с возможностью приёмо-передачи СВЧ сигналов ортогональных линейных поляризаций, применяемых в многоканальных системах беспроводной широкополосной связи и автомобильных системах контроля, слежения, безопасности, в том числе, дорожных радарах высокого разрешения. Заявляемая антенна состоит из печатной платы, на которой нанесена первая антенная решётка с излучателями электрического типа и вторая антенная решётка с излучателями магнитного типа, расположенной над общим рефлектором на расстоянии около четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Первая и вторая антенная решётки разнесены между собой на расстояние, минимальное значение которого определяется размерами системы распределения мощности, либо на расстояние, максимальное значение которого выбирается в зависимости от минимальной заданной межканальной развязки по требованию. Антенные решётки связаны с общим земляным полигоном посредством четвертьволновых короткозамкнутых шлейфов для обеспечения сброса статического электричества по требованию. Каждая антенная решётка снабжена отдельной неравновесной системой распределения мощности, гальванически соединённой с микрополосковой линией возбуждения излучателей электрического типа и щелевой линией возбуждения излучателей магнитного типа посредством ёмкостной лицевой связи. Питание антенны осуществлено через коаксиальную линию, симметрирующее устройство и систему распределения мощности. Техническим результатом при реализации заявленного решения является обеспечение одновременной приёмо-передачи сигналов линейной ортогональной поляризации при уровне межканальной развязки не менее 35 дБ, обеспечение работоспособности в непрерывной широкой или сверхширокой полосе частот. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Двухполяризационная коллинеарная антенна, выполненная в виде печатной платы и включающая первую антенную решётку, состоящую из излучателей электрического типа, возбуждаемых волной электрического тока и представляющих собой полуволновые отрезки несимметричных микрополосковых линий, причём соседние излучатели электрического типа соединены так, что концы микрополосковых линий перекрещиваются, образуя структуру, подобную меандру, отличающаяся тем, что в неё дополнительно введены вторая антенная решётка, ориентированная параллельно первой, и состоящая из излучателей магнитного типа, возбуждаемых волной эквивалентного магнитного тока и ориентированных вдоль линии возбуждения, рефлектор, являющийся общим для обеих антенных решёток, таким образом, что в результате образованы независимые антенные решётки ортогональной линейной поляризации с последовательно-параллельным способом возбуждения, при этом центральные излучатели электрического и магнитного типа выполнены более низкоомными, чем остальные, центральные излучатели электрического типа выполнены с воздушными окнами на входе с линией возбуждения, крайние излучатели электрического типа имеют ёмкостную нагрузку, а крайние излучатели магнитного типа соединены с линией возбуждения, нагруженной на короткий высокоомный участок, при этом каждая независимая антенная решётка имеет не менее двух точек питания, расположенных на отрезке, кратном электрической длине волны в соответствии с последовательно-параллельным способом возбуждения, а каждая точка питания имеет заданную комплексную амплитуду возбуждения, причём значения комплексных амплитуд обеспечены неравновесной системой распределения мощности для каждой антенной решётки, а неравновесная система распределения мощности выполнена в соответствии с параллельной или последовательно-параллельной схемой.

2. Двухполяризационная коллинеарная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что печатная плата выполнена многослойной.