Двухполяризационная L и X диапазона широкополосная комбинированная планарная антенна с общим фазовым центром Российский патент 2023 года по МПК H01Q1/00 

Изобретение относится к планарным антеннам бортовых локаторов беспилотных летательных аппаратов (БЛА), антенным системам георадаров, двухчастотных систем направленной связи.

Для антенн, размещаемых на БЛА, предъявляется ряд требований. Они должны иметь минимальные массогабаритные характеристики и должны быть не выступающими или мало выступающими для сохранения аэродинамических свойств объекта (носителя).

Одним из многочисленных отличий современных радиолокационных станций от их предшественниц является использование в антенной решетке независимых антенн с ортогональными линейными поляризациями и работающих в двух и трех частотных диапазонах со сверхкороткими импульсами (СКИ). Эти антенны позволяют станции излучать и принимать сигнал с произвольной поляризацией. Кроме того, использование двухчастотных антенн с разными поляризациями позволяет выяснить поляризационную структуру принимаемого сигнала и тем самым получить больше информации о цели в сравнении с классическими радиолокаторами. Рабочие частоты находятся в разных частотных диапазонах [Самарин О.Ф., Савостьянов В.Ю., Кудашев B.C., Ровкин М.Е., Алексеев А.С., Русское Д.А., Киселев С.В., Борзов А.Б. Многофункциональная интегрированная двухдиапазонная радиолокационная система для летательных аппаратов // Патент на изобретение: ФГБОУ ВО МГТУ им. Н.Э. Баумана, АО «НПФ «Микран». №2621714 от 01.06.2016 г.; Ильин Е.М., Полубехин А.И., Кривов Ю.Н. Многофункциональный бортовой радиолокационный комплекс // Патент на изобретение: ФГБОУ ВО МГТУ им. Н.Э. Баумана, №2670980 от 26.10.2018.; С.И. Бойчук, Д.Д. Габриэльян, В.И.Демченко, А.О. Жуков, А.Е. Коровкин, Д.Я. Раздоркин, А.В. Шипулин, Двухполяризационная зеркальная антенна радиолокационной системы обнаружения объектов // Вестник воздушно-космической обороны №1(17), 2018 г.]. Поляризационная информация используется для распознавания радиолокационных целей по поляризационному портрету, а также для повышения помехоустойчивости алгоритмов цифровой обработки сигналов. В двух и более диапазонной локации с когерентной меж диапазонной обработкой, при обеспечении совмещения фазовых центров антенных систем различных диапазонов, становится возможным реализация меж диапазонных суммарно-разностных и фазоразностных алгоритмов пеленгации и углового сопровождения, что существенно, в разы повысит информативность радиолокационных систем по сравнению с вариантом комплексирования информации после независимой обработки в разных частотных диапазонах.

Требование многодиапазонности локационных станций обусловлено тем, что в разных частотных диапазонах качество радиолокационной информации (РЛИ) зависит от вида объектов, их маскировки, погодных условий и т.п. РЛИ в разных частотных диапазонах существенно дополняют друг друга, особенно при решении большого разнообразия военных и хозяйственных задач.

В современных бортовых РЛС, антенные системы по габаритам составляют примерно 20-40%, а по массе - 15-30% от массогабаритных параметров бортовой РЛС в целом. Поэтому реализация перспективных технологий создания антенных систем дает большие возможности по снижению массы и габаритов РЛС в целом. Одной из таких технологий является создание и внедрение конформных антенных систем, логично вписанных в конструктив летательного аппарата [Е.М. Ильин, Ю.Н. Кривов, А.И. Полубехин, А.Н. Кренев, А.Г. Черевко Вестник СибГУТИ. №3 (43) 2018. Многофункциональный бортовой РЛК с конформной антенной системой для беспилотных летательных аппаратов малой дальности.]

На сегодняшний день существует ряд разработок в этой области:

Так, например, известна двухчастотная микрополосковая антенна круговой поляризации, содержащая металлический экран, два излучающих элемента в виде металлических пластин, расположенных одна над другой параллельно металлическому экрану и разделенных диэлектрическими подложками, и коаксиальную линию передачи с одной точкой возбуждения с прямоугольными пластинами. Возбуждение осуществляется коаксиальной линией передачи, внешний проводник которой, подсоединен к экрану, а центральная жила электрически соединена с верхним излучающим элементом. Нижний излучающий элемент возбуждается полем излучения верхнего излучающего элемента. Излучающие элементы имеют разные размеры, поэтому резонируют на разных частотах. [Патент №2495518 Чуфаров М.В., Аполлонов Н.Т., Бабушкин А.В., Львова Л.А. Двухдиапазонная микрополосковая антенна круговой поляризации // патент №2495518, опубликовано: 10.10.2013, бюл. №28.].

Недостатками данной конструкции являются узкая рабочая полоса, поскольку применяется материал ФЛАН-5 с высоким 8, это видно и на графике, невозможность управления поляризациями, так как имеется всего один вход, невозможность работы на приемопередатчики с разными частотами. Применение многослойной конструкции увеличивает вдвое толщину антенны и ее вес.

Также известна совмещенная многовибраторная микрополосковая антенна, состоящая из объединенных в симметричные вибраторы пар плеч, выполненных в виде тонкого слоя металла, нанесенного на непроводящую подложку. При этом пары плеч имеют различные размеры, причем большие плечи имеют полую форму, а пары плеч меньшего размера могут быть целиком размещены внутри плеча симметричного вибратора большего размера. Для формирования однонаправленного излучения параллельно подложке может быть размещен проводящий экран-рефлектор, отдаленный от подложки на некоторое расстояние, подбираемое из условия минимизации коэффициента стоячей волны и уровня обратного излучения [Патент, №2571914 Кабетов Р.В., Каланчин Н.А. Совмещенная микрополосковая антенна // опубликовано: 27.12.2015, бюл. №36].

Недостатком данной конструкции является формирование электромагнитного поля только одной поляризации, а двухточечная схема возбуждения вибраторов подразумевает установку согласующих устройств со сдвигом фаз на 180 градусов и узкие полосы рабочих частот в обоих диапазонах. Это в свою очередь усложняет конструкцию антенны в части запитки, особенно в сантиметровом диапазоне длин волн.

Известна микрополосковая антенна, реализуемая в патенте на полезную модель [№167296 Клионовски К.К., Широкополосная двухдиапазонная микрополосковая антенна // Патент на полезную модель, №167296.], представляющая собой диэлектрическую подложку, выполненную в форме плоского прямоугольного параллелепипеда или диска, с одной стороны которой, закреплен металлический экран, а с другой стороны - излучающий элемент в форме прямоугольника с угловыми круговыми вырезами, центры окружностей которых, расположены в вершинах прямоугольника. К излучателю подведены два осесимметрично расположенных коаксиальных кабеля, по которым подаются равные по амплитуде и противоположные по фазе сигналы. Технический результат заключается в возможности приема и передачи радиосигналов в одном диапазоне частот с полосой более 40% или в двухдиапазонах частот с полосой более 20% в каждом из диапазонов. В режиме передачи сигнала на каждый коаксиальный кабель, подключенный к излучателю, подается радиосигнал одинаковой амплитуды, но со сдвигом фазы 180 градусов в одном кабеле относительно другого.

Такая конструкция антенны также имеет ряд существенных недостатков, а именно: антенна работает с волнами одной поляризации, возбуждение излучающих пластин требует делителя мощности и фазосдвигающего устройства. Разнос частот лежит в пределах одного частотного диапазона. Антенна может работать только на один приемопередатчик, т.к. имеет всего один вход.

Наиболее близкой по техническому решению к описываемой антенне и взятой за прототип подходит антенна, конструкция которой, показана на стр. 610 в [Банков С.Е., Антенны спутниковых навигаторов. - М.: Издательство «Перо», 2014. - 693 с.; Modern Antenna Design, Second Edition, By Thomas A. Milligan Copyright, 2005 John Wiley & Sons, Inc.]

Конструкция двухслойной, двухчастотной планарной антенны (ПА), состоит из двух ПА, расположенных одна над другой. Причем высокочастотная ПА, функционирующая в диапазоне (F2) располагается непосредственно на верхней поверхности низкочастотной ПА, работающей в диапазоне (F1). При этом верхний проводник низкочастотной антенны, одновременно является нижним проводником (экраном) высокочастотной антенны. Поскольку размеры низкочастотной ПА больше размеров высокочастотной, последняя не выступает за пределы антенны диапазона (F1). Для возбуждения двухчастотной антенны используется одноточечное подключение коаксиальной линии.

К недостаткам данной конструкции относятся: узкая рабочая полоса антенн в обоих диапазонах, расположение антенн одна над другой увеличивают общую высоту антенны, невозможность работы с приемопередатчиками в двухдиапазонах одновременно и невозможность работы с ортогональными поляризациями.

Задачей предлагаемого изобретения является создание широкополосной малогабаритной планарной двухдиапазонной антенны с управляемой поляризацией, пригодной для работы с СКИ, с рабочими частотами в L-диапазоне (f0=1250 МГц) и Х-диапазоне (f0=10 ГГц), каждый вход антенны подключается к своему приемопередатчику.

Техническим результатом является создание малогабаритной широкополосной планарной двухдиапазонной антенны с ортогональными поляризациями в обоих диапазонах с общим фазовым центром, направленное на уменьшение веса и габаритов антенной системы и пригодной для работы со сверхкороткими импульсами.

Двухдиапазонная планарная антенна двойной поляризации состоит из двух антенн, низкочастотной работающей в диапазоне L и высокочастотной работающей в диапазоне X, причем высокочастотная антенна расположена внутри низкочастотной.

Низкочастотная антенна содержит экран, на котором установлена диэлектрическая пластина с s_r близким к единице, например, материал типа ПС-1-100 с ε_r=1,05 и отверстием в центре, на другой поверхности которой, расположена излучающая пластина квадратной формы также с отверстием в центре. Диаметр отверстия излучателя совпадает с диаметром отверстия диэлектрической пластины. Линейные размеры излучателя и диэлектрической пластины одинаковые и выбираются из соотношения , где - длина ребра излучателя. Высота ПА с электродинамической точки зрения ограничена неравенством:

h - высота подложки, ε - диэлектрическая проницаемость подложки. Для максимального уменьшения высоты антенны с сохранением рабочей полосы, толщина диэлектрика взята 0,08λ. Через диэлектрическую пластину к излучателю проходят два питающих штыря, имеющие гальванический контакт с излучающим элементом и центральными штырями СВЧ разъемов, например SMA, установленных с обратной стороны экрана.

Точки подключения штырей к полосковому излучателю расположены на одном расстоянии от центра квадратного излучателя под углом 90 градусов, причем расстояния от его центра соответствуют требованию согласования линий передачи с планарной антенной. Импеданс изменяется от нуля в центре до сопротивления на краю примерно так:

где R_i - входное сопротивление, R_e - входное сопротивление на краю и х - расстояние от центра излучателя, Я - высота подъема излучателя. Точку подачи СВЧ энергии при заданном входном сопротивлении можно найти из формулы:

Каждый разъем с помощью фидера подключен к своему приемопередатчику L - диапазона. Наличие двух разъемов и двух фидеров позволяет возбуждать две ортогональные поляризации, а при создании фазового сдвига между ними, круговые и эллиптические поляризации. Фазовые сдвиги формируются схемами управления приемопередатчиков. Применение диэлектрического материала с низкой диэлектрической проницаемостью позволило увеличить рабочую полосу антенны и снизить потери в диэлектрике, что позволило увеличить рабочий диапазон и работать антеннам со сверх короткими импульсами, тем самым, повысить КПД антенны и сделать конструкцию жесткой и виброустойчивой, особенно это необходимо при использовании в БЛА.

Поскольку в центре экрана существует некоторая область, в которой отсутствуют электрические токи, в случае антенны L - диапазона эта область находится из соотношения D/λ=0,01÷0,28, где D - диаметр отверстия. Поэтому, если у излучателя удалить часть поверхности ограниченной диаметром D, то существенных изменений параметров антенны не происходит. Антенна X - диапазона устанавливается внутри низкочастотной антенны. В центре экрана низкочастотной антенны в отверстии диэлектрической пластины устанавливается вторая диэлектрическая пластина толщиной 0,13λ, поверх которой, установлен второй излучающий элемент Х-диапазона. Через диэлектрическую пластину к излучателю проходят два питающих штыря имеющие гальванический контакт с излучающим элементом и центральными штырями малогабаритных СВЧ разъемов, например SMP, установленных с обратной стороны экрана. Точки подключения (10) показаны на фиг. 2. Каждый разъем с помощью фидера подключен к своему приемопередатчику X - диапазона. Такая конструкция позволяет формировать поля с разными видами поляризации.

Описание чертежей:

на Фиг. 1. Разрез совмещенной двухдиапазонной антенны:

1 - экран антенны L и X диапазона, 2 - диэлектрическая подложка антенны L диапазона, 3 - излучатель антенны L диапазона, 4 - отверстие в излучателе и диэлектрической подложке антенны L диапазона, 5 - питающие фидеры антенны L диапазона, 6 - диэлектриеская подложка антенны X диапазона, 7 - излучатель антенны X диапазона, 8 - питающие фидеры антенны X диапазона.

на Фиг. 2. Изображена совмещенная двухдиапазонная антенна, вид сверху: 1 - экран, 2 - диэлектрик, 3 - излучатель L диапазона, отверстие в антенне L диапазона, запитывающие штыри, 6 - диэлектрик антенны X диапазона, 7 - излучатель X диапазона, 7 - запитывающие штыри.

на Фиг. 3. Показано КСВ антенны L диапазона в зависимости от частоты.

на Фиг. 4. Показано КСВ антенны X диапазона в зависимости от частоты

на Фиг. 5. Показан график диаграммы направленности антенны L -диапазона.

на Фиг. 6. Показан график диаграммы направленности антенны X -диапазона.

на Фиг. 7. Макет антенны, вид сверху,

на Фиг. 8. Макет антенны вид сзади.

Использование: изобретение относится к малогабаритным планарным антеннам бортовых локаторов беспилотных летательных аппаратов (БЛА), антенным системам георадаров, двухдиапазонных частотных систем направленной связи. Сущность: двухполяризационная L и X диапазона широкополосная комбинированная планарная антенна с общим фазовым центром состоит из двух антенн, низкочастотной, работающей в диапазоне L, и высокочастотной, работающей в диапазоне X, причем высокочастотная антенна расположена внутри низкочастотной. Конструкция антенны позволяет формировать поля с разными видами поляризации. Технический результат: создание двухполяризационной L и X диапазона широкополосной комбинированной планарной антенны с общим фазовым центром, направленным на уменьшение веса и габаритов антенной системы, пригодной для работы со сверхкороткими импульсами. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Двухполяризационная L и X диапазона комбинированная планарная антенна с общим фазовым центром, состоящая из двух антенн, низкочастотной, содержащей экран, на котором установлена диэлектрическая пластина с отверстием в центре, на другой поверхности которой расположена излучающая пластина квадратной формы также с отверстием в центре, работающей в диапазоне L, где через диэлектрическую пластину к излучателю проходят два питающих штыря, имеющие гальванический контакт с излучающим элементом и центральными штырями СВЧ разъемов, установленных с обратной стороны экрана, и каждый разъем с помощью фидера подключен к своему приемопередатчику L диапазона, при этом размеры сторон излучателя и толщина диэлектрической пластины низкочастотной антенны выбираются из соотношения:

где - длина ребра излучателя, D - диаметр отверстия в излучателе L диапазона, h - высота диэлектрической пластины,

и высокочастотной антенны, работающей в X диапазоне, которая установлена в центре экрана антенны L диапазона, также содержащей диэлектрическую пластину, поверх которой установлен второй излучающий элемент X диапазона, и через диэлектрическую пластину к излучателю проходят два питающих штыря, имеющие гальванический контакт с излучающим элементом и центральными штырями малогабаритных СВЧ разъемов, установленных с обратной стороны экрана, при этом каждый разъем с помощью фидера подключен к своему приемопередатчику X диапазона, причем высокочастотная антенна расположена внутри низкочастотной.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что используется диэлектрик с низкой диэлектрической проницаемостью для увеличения широкополосности.

3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что точки подключения проводников к планарному излучателю расположены на одном расстоянии от центра квадратного излучателя под углом 90°.