МНОГОДИАПАЗОННЫЙ МИКРОПОЛОСКОВЫЙ АНТЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ИНДУКТИВНЫМ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ И ОБЩЕЙ ТОЧКОЙ ПИТАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК H01Q5/314 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве излучающего или приемного антенного элемента радио тракта в многодиапазонных беспроводных инфокоммуникационных системах или в системах радионавигации.

Известно устройство «Многодиапазонная микрополосковая антенна этажерочного типа» (патент RU 2315398 C1 опубликован 20.01.2008 Бюл. №2). В данной конструкции наличие нескольких рабочих диапазонов достигается установкой нескольких микрополосковых антенн друг на друга. При этом излучатель нижнего антенного элемента является земляной плоскостью антенного элемента, установленного над ним. Недостатком такого подхода при формировании нескольких рабочих диапазонов антенны является кратное увеличение высоты устройства при работе в нескольких рабочих диапазонах, наличие как минимум одной точки питания для каждого антенного элемента конструкции, низкая технологичность сборки и настройки антенны. Так же в конструкции этажерочного типа положение фазовых центров в каждом из рабочих диапазонов сильно разнится, что делает затруднительным использование антенн с такой конструкцией в прецизионных системах радионавигации.

Так же известно устройство «Компактная многодиапазонная микрополосковая антенна круговой поляризации (варианты)» (патент RU 2722629 C1 опубликован 02.06.2020 Бюл. №16). В конструкции этой антенны несколько излучателей, работающие в разных диапазонах, расположенные на верхней плоскости диэлектричнской подложки и отделенные друг от друга зазорами в металлизации возбуждаются при помощи емкостной связи с проводящим полоском, расположенным между двумя слоями диэлектрического материала и соединенным с одного конца с общей точкой питания антенны. Недостатком такой конструкции является отсутствие возможности уменьшения ее размеров при помощи использования подложек с высокой диэлектрической проницаемостью, поскольку в этом случае разрушается емкостная связь проводящего полоска с расположенными над ним излучателями, что приводит к потере работоспособности антенны. Так же к недостаткам этой конструкции следует отнести то, что круговая поляризация в каждом из рабочих диапазонов обеспечивается топологией излучателей, что менее эффективно нежели обеспечение поляризации при помощи навязывания фазы несколькими точками питания, а в представленной конструкции наличие нескольких точек питания в ряде случаев не возможно из-за их сильной связи друг с другом по полю.

Наиболее близким к описываемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является устройство «Многодиапазонная антенна круговой поляризации с метаматериалом» (патент RU 2480870 C1 опубликован 27.04.2013 Бюл. №12). Так же как и в описываемом изобретении в устройстве-прототипе работа устройства в нескольких диапазонах частот обеспечивается за счет концентрического расположение дополнительных излучателей вокруг основного центрального излучателя, к которому подключены точки питания. Отличие заключается в том, что в прототипе, в отличие от описываемого изобретения, связь внешних концентрически расположенных излучателей с центральным излучателем осуществляется не при помощи развязывающих дросселей, а при помощи прямого соединения проводящими элементами топологии. Реактивные же элементы вставлены в разрыв топологии концентрически расположенных излучателей, обеспечивая их дополнительное согласование с точками питания. Недостатком прямого соединения излучателей между собой является то, что излучатели оказываются связанными между собой. В виду этого формирование диаграммы направленности и фазового центра антенны в каждом из диапазонов происходит с учетом распределения поля по всей поверхности антенного элемента, что может приводить к искажению формы диаграммы и смещению фазового центра, чего не происходит при наличии развязки между излучателями разных диапазонов. Использование же реактивных элементов в разрыве излучателей для их согласования, как это сделано в рассматриваемом прототипе, приводит к уменьшению добротности излучателя и, как следствие, к снижению его коэффициента усиления.

Заявленное изобретение предназначено для работы в качестве принимающего или передающего антенного элемента многодиапазонных беспроводных инфокоммуникационных системах или систем радионавигации.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в обеспечении работы антенны в нескольких развязанных друг от друга частотных диапазонах при помощи общей для всех рабочих диапазонов схемы питания антенны.

Технический результат достигается путем пространственного разделения излучателей в топологии антенны и обеспечения их электрической связи с точками питания, расположенными на центральном излучателе топологии, при помощи сосредоточенных индуктивных элементов, обладающих свойствами фильтра нижних частот и обеспечивающих частотное разделение сигналов различных рабочих диапазонов.

Технический результат достигается за счет того, что многодиапазонный микрополосковый антенный элемент с индуктивным пространственным разделением излучателей и общей точкой питания Антенна, состоящая из диэлектрической подложки круглой формы, расположенной на проводящем экране произвольной формы, на верхней стороне которой выполнены излучающие элементы в виде центрального диска и концентрически расположенных вокруг него одного или нескольких колец, причем к центральному диску подключены одна или несколько точек питания антенны, а связь концентрических колец с точками питания обеспечивается при помощи сосредоточенных индуктивных элементов количеством не менее числа точек питания, установленных между центральным диском и концентрическим кольцом и между соседними концентрическими кольцами, причем индуктивные элементы равномерно распределены по периметру концентрических колец, а значение их собственной индуктивности выбрано таким образом, чтобы блокировать распространение сигнала на частоте работы центрального диска и обеспечивать прохождение сигнала на частоте работы концентрических колец в случае их установки между диском и ближним к нему концентрическим кольцом, и чтобы блокировать распространение сигнала на частоте работы внутреннего концентрического кольца и обеспечивать прохождение сигнала на частоте работы внешних концентрических колец в случае их установки между соседними концентрическими кольцами.

При этом диэлектрическая подложка выполнена в форме квадрата.

При этом излучающие элементы выполнены в форме квадрата.

Устройство иллюстрируется чертежами фиг. 1 и фиг. 2, на которых изображены конструкции антенных элементов с индуктивным пространственным разделением излучателей и общей точкой питания, причем на фиг. 1 изображена конструкция антенного элемента круглой формы, а на фиг. 2 - конструкция антенного элемента квадратной формы.

Заявленное устройство состоит из проводящего экрана (1) произвольной формы и размера, на котором установлена диэлектрическая подложка (2) круглой (фиг. 1) или квадратной (фиг. 2) формы. На плоскости подложки (2), не соприкасающейся с экраном (1) расположены центральный излучатель (3) круглой (фиг. 1) или квадратной (фиг. 2) формы, выполненный из проводящего материала. Вокруг центрального излучателя (3) концентрически расположены дополнительные излучатели (4) в форме колец (фиг. 1) или квадратов (фиг. 2), выполненные из проводящего материала, число которых на один меньше числа рабочих диапазонов антенны. Соседние дополнительные излучатели (4) электрически связаны попарно между собой и с центральным излучателем (3) при помощи сосредоточенных индуктивных элементов (5), равномерно расположенных по периметру каждого соединения, число которых на каждом парном соединении больше или равно числу точек питания (6) антенны. Точки питания антенны (6) расположены на центральном излучателе (3), электрически соединены с ним и не имеют омического контакта более ни с какими другими проводящими элементами конструкции антенны.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В случае работы антенны в качестве передающей. Сигнал от передатчика поступает на точки питания (6) антенны. Проводящий экран (1) при этом является поверхностью нулевого потенциала. В случае наличия нескольких точек питания (6) в конструкции антенны для обеспечения круговой поляризации излучаемого поля сигнал должен подаваться на них с учетом разности фаз, равной угловому расстоянию между ними. Согласование входного сопротивления точек питания (6) с выходным сопротивлением передатчика обеспечивается смещением точек питания (6) к краю центрального излучателя (3) и толщиной диэлектрической подложки (2). Сигнал, поданный на точки питания (6) излучается, внешними кромками центрального излучателя (3) и дополнительных излучателей (4). Частота излучаемого сигнала определяется диаметрами внешних излучающих кромок центрального излучателя (3) и дополнительных излучателей (4) и диэлектрической проницаемостью подложки (2). При этом сосредоточенные индуктивные элементы (5), выполняя функцию фильтра нижних частот, блокируют распространение сигнал на частоте излучения внешней кромки центрального излучателя (2) далее на дополнительные излучатели (4) и обеспечивают электрическую связь дополнительных излучателей (4) с точками питания (6) на частотах излучения внешних кромок центральных излучателей. Аналогично сосредоточенные индуктивные элементы (5), установленные между дополнительными излучателями (4), блокируют распространение сигнала на частоте излучения внешней кромки внутреннего дополнительного излучателя (4) и обеспечивают электрическую связь внешнего дополнительного излучателя (4) с точками питания (6). Частота сигнала, блокируемого сосредоточенными индуктивными элементами, определяется значением их собственной индуктивности. Таким образом, сосредоточенные индуктивные элементы (5) обеспечивают частотную развязку излучающих кромок и, как следствие, независимое диаграммообразование на частотах излучения последних.

В случае работы антенны в качестве приемной. Сигнал из окружающего пространства поступает на внешние кромки центрального излучателя (3) и дополнительных излучателей (4). Частота принимаемого сигнала определяется диаметрами внешних излучающих кромок центрального излучателя (3) и дополнительных излучателей (4) и диэлектрической проницаемостью подложки (2). Принятый сигнал от внешних кромок через сосредоточенные индуктивные элементы (5) поступает к точкам питания (6). При этом сосредоточенные индуктивные элементы (5), выполняя функцию фильтра нижних частот, блокируют распространение сигнал на частоте излучения внешней кромки центрального излучателя (2) на дополнительные излучатели (4) и распространение сигнала на частоте излучения внешней кромки внутреннего дополнительного излучателя (4) на внешние дополнительные излучатели (4). Частота сигнала, блокируемого сосредоточенными индуктивными элементами, определяется значением их собственной индуктивности. Таким образом, сосредоточенные индуктивные элементы (5) обеспечивают частотную развязку излучающих кромок и, как следствие, независимое диаграммообразование на частотах излучения последних. Принятый сигнал с точек питания (6) может быть передан на вход приемника сигналов. Проводящий экран (1) при этом является поверхностью нулевого потенциала. В случае наличия нескольких точек питания (6) в конструкции антенны для обеспечения приема сигнала с круговой поляризацией поля сигнал должен сниматься с на них с учетом разности фаз, равной угловому расстоянию между ними. Согласование выходного сопротивления точек питания (6) с входным сопротивлением приемника обеспечивается смещением точек питания (6) к краю центрального излучателя (3) и толщиной диэлектрической подложки (2).

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 изображена конструкция антенного элемента круглой формы с индуктивным пространственным разделением излучателей и общей точкой питания.

На фиг. 2 изображена конструкция антенного элемента квадратной формы с индуктивным пространственным разделением излучателей и общей точкой питания.

Изобретение относится к радиотехнике и служит в качестве излучающего или приемного антенного элемента радиотракта в многодиапазонных беспроводных инфокоммуникационных системах или в системах радионавигации. Технический результат - обеспечение работы антенны в нескольких развязанных друг от друга частотных диапазонах при помощи общей для всех рабочих диапазонов схемы питания антенны. Результат достигается путем пространственного разделения излучателей в топологии антенны и обеспечения их электрической связи с точками питания, расположенными на центральном излучателе топологии, при помощи сосредоточенных индуктивных элементов, обладающих свойствами фильтра нижних частот и обеспечивающих частотное разделение сигналов различных рабочих диапазонов. 2 ил.

Многодиапазонный микрополосковый антенный элемент с индуктивным пространственным разделением излучателей и общей точкой питания, состоящий из диэлектрической подложки круглой или квадратной формы, расположенной на проводящем экране произвольной формы, на верхней стороне которой выполнены излучающие элементы в виде центрального диска или квадрата и концентрически расположенных вокруг него одного или нескольких кольцевых или квадратных элементов, причем к центральному излучающему элементу подключены одна или несколько точек питания антенны, а связь концентрических излучающих элементов с точками питания обеспечивается при помощи сосредоточенных индуктивных элементов количеством не менее числа точек питания, установленных между центральным излучателем и концентрическим излучателем и между соседними концентрическими излучателями, причем индуктивные элементы равномерно распределены по периметру концентрических излучателей, а значение их собственной индуктивности выбрано таким образом, чтобы блокировать распространение сигнала на частоте работы центрального излучателя и обеспечивать прохождение сигнала на частоте работы концентрических излучателей в случае их установки между центральным и ближним к нему концентрическим излучателями и чтобы блокировать распространение сигнала на частоте работы внутреннего концентрического излучателя и обеспечивать прохождение сигнала на частоте работы внешних концентрических излучателей в случае их установки между соседними концентрическими излучателями.