ДВУХМОДОВАЯ МАЛОГАБАРИТНАЯ ЩЕЛЕВАЯ ПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПО СИГНАЛАМ ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, BEIDOU Российский патент 2024 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, Galileo, Beidou и др.

С вводом в работу навигационных систем Galileo и Beidou, а также с расширением частотных диапазонов ГЛОНАСС (L3) и GPS (L5) возникла необходимость в более широкополосных приемных антеннах, предназначенных для высокоточного позиционирования по сигналам ГНСС. Диапазон рабочих частот таких антенн можно условно разбить на два поддиапазона: 1559 – 1610 (МГц) для приема сигналов ГЛОНАСС L1, GPS L1, Galileo E1, BeiDou B1 и 1164 – 1300 (МГц) для приема сигналов ГЛОНАСС L2/L3, GPS L2/L5, Galileo E5a/E5b/E6, BeiDou B2/B3.

Одно из направлений разработки низкопрофильных антенн с малогабаритным экраном для приема сигналов ГНСС в данных частотных поддиапазонах – щелевые полосковые антенны вытекающей волны. Они низкопрофильные, обладают стабильным фазовым центром, обеспечивают подавление многолучевости за счет технических характеристик самой малогабаритной антенны, и могут применяться в передвижных высокоточных приемниках ГНСС, в частности, в беспилотных летательных аппаратах.

Известна 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, включают прямые и изогнутые сегменты одинаковой или разной длины и имеют одинаковую ширину на протяжении всей их длинны. Для формирования круговой поляризации щелевые излучатели закручены вокруг геометрического центра антенны. Антенна работает на основной (полуволновой) моде электромагнитных колебаний Н-волны щелевых излучателей.

Недостатком такой антенны является узкий диапазон рабочих частот. Это обусловлено тем, что в щелевых излучателях с регулярной шириной щели частота второй (волновой) моды колебаний Н-волны отстоит по частоте от основной моды дальше, чем требуется для приема двух частотных поддиапазонов ГНСС двумя модами колебаний Н-волны. Поэтому для приема сигналов ГНСС в двух частотных поддиапазонах в таких антеннах резонансы основной моды колебаний Н-волны половины щелевых излучателей настраиваются на один частотный поддиапазон, а второй половины щелевых излучателей – на другой. В результате, в каждом поддиапазоне частот работает только половина щелевых излучателей антенны.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является щелевая полосковая антенна вытекающей волны с круговой поляризацией со скачком ширины щелевых излучателей (Патент на изобретение RU №2580869 С1 от 10.11.2014. Опубл. 10.04.2016. Бюл. №10). Антенна включает диэлектрическую подложку, на верхней металлизированной стороне которой выполнены щелевые излучатели с увеличением ширины щели в пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны. Щелевые излучатели закручены по спирали вокруг геометрического центра антенны, не соединены между собой и включают прямые и изогнутые сегменты различной длины. Благодаря тому, что щелевые излучатели выполнены с увеличением ширины щели в пучностях высокочастотного электрического поля Н-волны, распределение высокочастотного электрического поля становится более равномерным по площади антенны, что приводит к улучшению коэффициента эллиптичности и увеличению кросс-поляризационной развязки.

Недостатком данной антенны является узкий диапазон рабочих частот. В такой антенне благодаря скачку ширины щели в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны частотный интервал между резонансами полуволновой и волновой мод колебаний щелевых излучателей сокращается. Однако частота волновой моды все еще находится дальше от частоты основной моды, чем требуется для приема двух частотных поддиапазонов ГНСС двумя модами колебаний. При этом дальше увеличивать ширину щели в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны нельзя, так как мешают соседние щелевые излучатели. Длина же широкого участка щели настроена оптимальной для максимального сближения частот полуволновой и волновой мод колебаний, и дальнейшее уменьшение или увеличение длины широкого участка щели приводит к увеличению частотного интервала между резонансами полуволновой и волновой мод колебаний. Поэтому в данной антенне прием сигналов ГНСС в двух частотных поддиапазонах осуществляется по такому же принципу: резонансы основной моды колебаний половины щелевых излучателей настраиваются на один частотный поддиапазон, а второй половины щелевых излучателей – на другой.

Техническим результатом изобретения является улучшение технических характеристик антенны, в частности, расширение диапазона рабочих частот.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемой антенне, содержащей диэлектрическую подложку, на верхней металлизированной стороне которой выполнены основные щелевые излучатели с увеличением ширины щели в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны, закрученные по спирали вокруг геометрического центра антенны, не соединенные между собой и включающие прямые и изогнутые сегменты различной длины, новым является то, что к участку основного щелевого излучателя, увеличенному по ширине в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны, присоединены торцевой стороной дополнительные щели, направленные вдоль основных щелевых излучателей и не пересекающие их.

Отличие заявляемой антенны от наиболее близкого аналога заключается в том, что на верхней металлизированной стороне диэлектрической подложки к участку основного щелевого излучателя, увеличенному по ширине в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны, присоединены торцевой стороной дополнительные щели, направленные вдоль основных щелевых излучателей и не пересекающие их.

Благодаря подключению к увеличенному по ширине участку основного щелевого излучателя в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний т.е. в узле высокочастотного электрического поля волновой моды колебаний Н-волны дополнительных щелей, направленных вдоль основных щелевых излучателей и не пересекающие их, скачек ширины щели становится составным, что увеличивает скачек волнового сопротивления основного щелевого излучателя и приводит к уменьшению частотного интервала между полуволновой и волновой модами колебаний Н-волны. В результате данного нового технического решения становится возможным задействовать основную полуволновую моду колебаний всех основных щелевых излучателей для приема сигналов ГНСС в одном частотном поддиапазоне, а волновую моду всех основных щелевых излучателей - для приема сигналов ГНСС во втором частотном поддиапазоне. Поэтому количество резонансов мод колебаний Н волны в каждом поддиапазоне возрастает в два раза в сравнении с известными аналогами, что позволяет расширить диапазон рабочих частот антенны, или увеличить коэффициент усиления антенны в сравнимом диапазоне рабочих частот с известными аналогами.

Изобретение поясняется фиг. 1 – фиг. 6. Данные иллюстрации являются частичным пояснением заявляемой антенны и не отражают все аспекты заявки полностью. В частности, верхняя сторона диэлектрической подложки на фиг. 1 – фиг. 3 приведена для антенн с правой круговой поляризацией с присоединением четырех, двух и одной дополнительной щели соответственно. Количество же дополнительных щелей может быть произвольным. Меньшая электрическая длина дополнительных щелей в сравнении с основными щелевыми излучателями исключает проявление собственных резонансов дополнительных щелей в диапазоне рабочих частот антенны.

Заявляемое изобретение представлено на следующих фигурах:

Фиг. 1. Верхняя сторона диэлектрической подложки заявляемой антенны с четырьмя дополнительными щелями.

Фиг. 2. Верхняя сторона диэлектрической подложки заявляемой антенны с двумя дополнительными щелями.

Фиг. 3. Верхняя сторона диэлектрической подложки заявляемой антенны с одной дополнительной щелью.

Фиг. 4. Типичный коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) заявляемой антенны.

Фиг. 5. Типичная амплитудная диаграмма направленности (ДН) заявляемой антенны, где 51 - амплитудная диаграмма направленности для правокруговой поляризации, 52 - амплитудная диаграмма направленности для левой круговой поляризации.

Фиг. 6. Коэффициент усиления антенны, где 53 – заявляемая антенна, 54 – антенна, в которой все основные щелевые излучатели выполнены без скачков ширины и имеют одну длину, 55 – антенна, в которой все основные щелевые излучатели выполнены без скачков ширины, при этом основная мода половины основных щелевых излучателей настроена на один частотный поддиапазон, а второй половины основных щелевых излучателей – на другой.

На фиг. 1 – фиг. 3 показаны некоторые примеры выполнения верхней стороны диэлектрической подложки (1) заявляемой двухмодовой малогабаритной щелевой полосковой антенны для высокоточного позиционирования по сигналам ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Beidou. Диэлектрическая подложка имеет двустороннюю металлизацию. В металле верхней стороны подложки выполнены основные щелевые излучатели, закрученные по спирали вокруг геометрического центра антенны и не соединенные между собой. Направление закрутки определяется требуемой правой или левой круговой поляризацией.

Количество основных щелевых излучателей может выполняться произвольным. В частности, на фиг. 1 – фиг. 3 показаны примеры конкретного выполнения антенны с двенадцатью основными щелевыми излучателями. Закрученные по спирали основные 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 основных щелевых излучателей может быть равной или отличаться друг от друга. В пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны выполняется уширение основных щелевых излучателей (26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37). К участку основного щелевого излучателя, увеличенному по ширине в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны, подключаются дополнительные щели с меньшей электрической длиной (38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49). Количество и направление дополнительных щелей может быть произвольным. В частности, на фиг. 1 показаны четыре дополнительные щели, две из которых направлены к краю диэлектрической подложки (38-49), а две – к центру (50-61). На фиг. 2 показаны две дополнительные щели, направленные к краю подложки (38-49). На фиг.3 показана одна дополнительная щель, направленная к центру диэлектрической подложки (38-49).

На фиг. 4 показан КСВН антенны (50), в которой к участку основного щелевого излучателя, увеличенному по ширине в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны, подключены две дополнительные щели с меньшей электрической длиной, направленные к краю диэлектрической подложки. КСВН остальных заявляемых антенн подобен.

На фиг. 5 приведена ДН антенны на частоте 1600 МГц, и где 51 – правая круговая поляризация, 52 – левая круговая поляризация. Видно, что ДН антенны широкоугольная, с резким спадом вблизи малых углов возвышения. ДН остальных заявляемых антенн подобны.

На фиг. 6 приведено сравнение частотных зависимостей коэффициента усиления заявляемой антенны (53), антенны, в которой все основные щелевые излучатели выполнены без скачков ширины и имеют одну длину (54) и антенны, в которой все основные щелевые излучатели выполнены без скачков ширины, при этом полуволновая мода половины основных щелевых излучателей настроена на один частотный поддиапазон, а второй половины основных щелевых излучателей – на другой (55).

Из фиг. 6 видно, что в антенне, в которой основные щелевые излучатели выполнены без скачка ширины щелей и полуволновая мода колебаний Н-волны всех основных щелевых излучателей настроена на прием сигналов ГЛОНАСС L2/L3, GPS L2/L5, Galileo E5a/E5b/E6, BeiDou B2/B3 (54), волновая мода колебаний Н-волны расположена выше по частоте, чем требуется для приема сигналов ГЛОНАСС L1, GPS L1, Galileo E1, BeiDou B1.

В случае (55), когда резонансы основной моды колебаний Н-волны половины щелевых излучателей настраиваются на один частотный поддиапазон, например, ГЛОНАСС L2/L3, GPS L2/L5, Galileo E5a/E5b/E6, BeiDou B2/B3 (длинные щели), а второй половины щелевых излучателей – на другой: ГЛОНАСС L1, GPS L1, Galileo E1, BeiDou B1 (короткие щели), видно, что рабочий диапазон частот антенны сужается в каждом поддиапазоне.

С помощью предложенного нового технического решения удается значительно улучшить технические характеристики заявляемой двухмодовой малогабаритной щелевой полосковой антенны для высокоточного позиционирования по сигналам ГЛОНАСС/GPS/Galileo/Beidou, в частности, расширить диапазон рабочих частот, как показано на фиг.5 (53), или увеличить коэффициент усиления антенны в сравнимом диапазоне рабочих частот с известными аналогами.

Антенна работает следующим образом. Навигационные сигналы принимаются со спутниковых навигационных аппаратов резонансными основными щелевыми излучателями двухмодовой малогабаритной щелевой полосковой антенны для высокоточного позиционирования по сигналам ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Beidou. Щелевые излучатели выполнены в металле верхней стороны диэлектрической подложки антенны с увеличением их ширины в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны. Благодаря тому, что к участку основного щелевого излучателя, увеличенному по ширине в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны, присоединены торцевой стороной дополнительные щели, направленные вдоль основных щелевых излучателей и не пересекающие их, становится возможным настроить резонансные частоты низшей моды колебаний всех основных щелевых излучателей на один частотный поддиапазон принимаемых сигналов ГНСС, а резонансные частоты волновой моды колебаний всех основных щелевых излучателей – на другой частотный поддиапазон принимаемых сигналов ГНСС. Данное новое техническое решение позволяет в сравнении с известными аналогами щелевой полосковой антенны, в которых для приема сигналов ГНСС используется только одна низшая мода колебаний щелевых излучателей, либо расширить диапазон рабочих частот антенны, либо получить больший коэффициент усиления в таком же диапазоне частот, что и у известных аналогов.

Работа выполнена при финансовой поддержке краевого государственного автономного учреждения «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» и общества с ограниченной ответственностью научно-производственной фирмы «Электрон», договор № 681.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к щелевым полосковым антеннам вытекающей волны с круговой поляризацией, и служит для приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем. Технический результат - расширение полосы рабочих частот антенны. Результат достигается тем, что предложена двухмодовая малогабаритная щелевая полосковая антенна для высокоточного позиционирования по сигналам ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Beidou, включающая металлизированную с двух сторон диэлектрическую подложку, в металле верхней стороны которой выполнены основные щелевые излучатели с увеличением ширины щели в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны, закрученные по спирали вокруг геометрического центра антенны, не соединенные между собой и включающие прямые и изогнутые сегменты различной длины, отличающаяся тем, что к участку основного щелевого излучателя, увеличенному по ширине в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны, присоединены торцевой стороной дополнительные щели, направленные вдоль основных щелевых излучателей и не пересекающие их. 6 ил.

Двухмодовая малогабаритная щелевая полосковая антенна для высокоточного позиционирования по сигналам ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Beidou, включающая металлизированную с двух сторон диэлектрическую подложку, в металле верхней стороны которой выполнены основные щелевые излучатели с увеличением ширины щели в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны, закрученные по спирали вокруг геометрического центра антенны, не соединенные между собой и включающие прямые и изогнутые сегменты различной длины, отличающаяся тем, что к участку основного щелевого излучателя, увеличенному по ширине в пучности высокочастотного электрического поля основной моды колебаний Н-волны, присоединены торцевой стороной дополнительные щели, направленные вдоль основных щелевых излучателей и не пересекающие их.