Двухдиапазонная микрополосковая антенна с круговой поляризацией Советский патент 1992 года по МПК H01Q1/38 

Фие.1

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано как антенное устройство на подвижных объектах или в качестве элемента антенной решетки.

Известны двухчастотные микрополо- сковые антенны, отличающиеся компактностью, высокой надежностью, низкой стоимостью, возможностью интеграции,

Наиболее простая двухчастотная мик- рополосковая антенна выполнена в виде микрополосковой антенной структуры с прямоугольным излучающим элементом (ИЭ). Двухчастотный режим с линейной поляризацией поля на каждой частоте обеспечен запиткой ИЭ с двух прилегающих сторон, так как каждая резонансная частота антенны определяется размерами сторон излучающего элемента. При всей простоте конструкции такое антенное устройство не может работать с круговой поляризацией поля на каждой частоте, что особенно важно при использовании микрополосковой двух- частотной антенны на летательных аппаратах.

Этот недостаток может быть устранен в двухчастотной микрополосковой антенне, если прилегающие стороны ИЭ будут запи- таны через фазосдвигающее устройство. Однако наличие двухсекционного транс- Форматора для обеспечения работы на двух частотах, а также фазосдвигающего устройства, значительно усложнит всю конструкцию, снизит эффективность антенны.

Известна также двухчастотная микро- полосковая антенна, имеющая круглые ИЭ, расположенные друг над другом в виде этажерки. Возбуждение осуществляется коаксиальным кабелем, оплетка которого подсоединена на экран, а центральная жила электрически соединена с нижним или верхним экраном. Такая антенна позволяет работать на двух разных частотах с линейной поляризацией поля. Вместе с тем возможен режим работы на двух частотах с круговой поляризацией поля, если запитать ИЭ в квадратурных точках со сдвигом фазы на 90°. Недостатком подобной конструкции является зависимость резонансной частоты (fn) и входного сопротивления нижнего элемента от размеров верхнего ИЭ, сложность настройки, невозможность подстройки рабочих частот. Что касается последнего недостатка, а именно возможности подстройки рабочих частот, то он очень существенен для микрополосковых антенн резонаторно- го типа, учитывая их узкополосность.

Известны также микрополосковые антенны резонаторного типа, содержащие верхнюю плоскую пластину различной конфигурации (квадратной, круглой, эллиптической, треугольной и т.д.) - излучающий эле- мент, вторую пластину - экран, разделенных слоев диэлектрика. В таких известныхустройствах круговая поляризация, при одной точке возбуждения (питание может быть торцевого или плоскостного типа) реализуется за счет поляризационного вырождения основного типа волны. Этот эф0 фект достигается за счет введения в резонаторную область неоднородностей типа штырей, вырезов на ИЭ, выступов на ИЭ, изменением формы ИЭ и т.д. Основное преимущество таких микрополосковых антенн

5 (МПА) - круговая поляризация при одной точке возбуждения. Однако исследования в области МПА такого типа показывают, что диапазонные свойства будут оцениваться не зависимостью входного сопротивления

0 от частоты (эта зависимость сохраняется), а зависимость коэффициента эллиптичности (Кэ) от частоты. Полоса частот по Кэ получается меньше, чем полоса по входному сопротивлению. Это, в свою очередь,

5 ограничивает существенно область применения МПА. Очевидно, что из таких конструкций МПА могут компоноваться двухчастотные МПА с круговой поляризацией поля.

0 Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является двухдиапазонный микропо- лосковый излучатель с круговой поляризацией, содержащий две проводящие пласти5 ны круглой или квадратной формы, экранирующую поверхность, разделенных диэлектрическими подложками и расположенных друг над другом в виде этажерки, два входа для каждой из верхней пластин и

0 две неоднородности, расположенных в двух резонаторных областях. Такой излучатель обеспечивает работу в двух диапазонах с круговой поляризацией поля в каждом из диапазонов.

5 Недостатком известной конструкции является во-первых, узкмй диапазон рабочих частот по Кэ. Во-вторых, для изменения рабочего диапазона или его подстройки необходимо изменить размеры верхних пла0 стин. В-третьих, неоднородности выполнены в виде штырей, помещенных в определенную точку резонаторных областей, что с технологической точки зрения связано с дополнительными трудозатрата5 ми.

Кроме того, необходимо обратить внимание еще на один недостаток МПА с круговой поляризацией при одной точке возбуждения. Это - малый сектор углов ДН, в котором Кэ сохраняет требуемое значение.

Если учитывать тот факт, что МПА используется в основном как элемент ФАР, то этот недостаток ограничивает сектор сканирования антенной решетки (АР).

Целью изобретения является увеличе- ние рабочей полосы частот и сектора сканирования по коэффициенту эллиптичности.

Поставленная цель достигается тем, что в двухдиапазонной микрополосковой антенне с круговой поляризацией, содержа- щей две соосно расположенные металлические пластины квадратной формы, размещенные друг над другом параллельно металлическому экрану, две неоднородности и два входа, согласно изобретению, металли- ческие пластины выполнены одинаковых размеров, неоднородности выполнены в виде щелей в углах металлических пластин шириной а 0,05W, где W - размер стороны металлических пластин, и длиной b 0,18W, при этом оси симметрии щелей первой и второй металлических пластин совпадают с их соответствующими диагоналями с образованием угла 90°, а входы двухдиапазонной микрополосковой антенны с круговой поляризацией запитываются со сдвигом фаз 90°,

Для доказательства наличия существенных отличий в заявляемом техническом решении, по мнению авторов, необходимо отметить следующее. Совокупность отличительных признаков, а именно: одинаковые размеры проводящих пластин в МПА эта- жерчатого типа (можно менять за счет параметров диэлектрической подложки частоту), неоднородности, выполненные по диагонали в виде вырезов (щелей); питание МПА через гибридное устройство с целью получения волн круговой поляризации - известен каждый в отдельности и нашел конкретное воплощение в антенно-фидер- ных устройствах микрополоскового типа. Однако введение неоднородностей главным образом было использовано для разработки МПА с круговой поляризацией с одной точкой возбуждения, о достоинствах и недостатках которых уже упоминалось выше. Известно также, что в зависимости от размеров неоднородности, в частности выреза на ИЭ, меняется степень выражения основной волны в резонаторной обрасти. Крайний ее случай - волна вырождается на два типа колебаний, соответственно на двух разных частотах. Причем векторы поляризации излучаемых полей ориентированы отно- сительно друг друга. Следовательно, размещая верхние пластины с неоднород- ностями определенным образом относительно друг друга (вырезы на пластинах должны быть перпендикулярны друг другу)

фактически, по апертурной модели, переходим к двум совмещенным турникетным излучателям дифракционного типа. Очевиден и положительный эффект предлагаемой конструкции: два диапазона, обеспечение Кэ в диапазоне частот, увеличение Кэ в рас- крыве диаграммы направленности (ДН). таким образом, совокупность отличительных признаков, через новое техническое свойство - образование крестообразных дифракционных излучателей, позволяет получить поставленную цель.

На фиг, 1 изображена двухдиапазонная МПА Гкруговой поляризацией; на фиг. 2 - элементы двухдиапазонной антенны с круговой поляризацией; на фиг. 3 - зависимость Кэ в максимуме ДН и КБВ от частоты.

Двухдиапазонная МПА с круговой поляризацией поля содержит две металлизированные пластины 1, 2, общий экран 5, расположенные в виде этажерки и разделенные диэлектрическими подложками 3, 4, имеющими одинаковые электрические характеристики ( Јг, ), неоднородности в виде щелей, прорезанных с углов пластин по диагонали 6, 7, неоднородности в виде выступов 8, 9, предназначенных для подстройки рабочих частот, короткозамыкатель 10, соединяющий центры пластин с экраном, точку возбуждения верхней резонаторной области 10, точку возбуждения второй резонаторной области. На фиг. 1 с целью наглядности размеры верхней пластины нет много уменьшены, не показано гибридное 90-градусное устройство, к которому подключены входы резонаторных областей.

Двухдиапазонная МПА с круговой поляризацией работает следующим образом. На фиг. 2а представлена МПА с неоднородностью в виде щели. Если длина щели в b 0,18W, где W - размер квадратного ИЭ, то в резонаторной области (область между ИЭ и экраном) устанавливается двухмодо- вый режим. На фиг. 2 это демонстрирует эпюра зависимости КСВН от частоты. Причем, чем больше длина выреза, тем больше разнос между частотами, Частота ть при изменении длины выреза остается практически неизменной, а изменяется в сторону уменьшения частота TH. Неоднородность типа выступ (см. фиг. 2а) аналогичным образом влияет на частоту ть. Поэтому с целью исключения влияния технологических допусков при изготовлении МПА, разброса параметров диэлектрических подложек на рабочие частоты, на этапе проектирования таких МПА целесообразно ввести для подстройки неоднородности типа выступ. На фиг. 2 а, б показаны пластины с неоднородностями и

точками подключения питания. Фактически эти рисунки демонстрируют этап сборки двухдиапазонной МПАс круговой поляризацией поля. Пластины (ИЭ) выполняются оди- наковых размеров, с одинаковыми размерами вырезов, расположенных в одну и ту же сторону от точки питания. Каждая резонаторная область настраивается на двухчастотный режим с линейно поляризованными полями на каждой частоте. При сборке пластины располагаются таким образом, чтобы вырезы были ортогональны друг другу. Возбуждение каждой резонатор- ной области осуществляется торцевым способом (т.е. штырями, оплетка кабеля электрически соединяется с общим экраном, центральный проводник с ИЭ). Выходы (входы) трактов возбуждения резонаторных областей соединяются с фазосдвигающим 90-градусным устройством (например, гибридным мостом). Тогда на каждой частоте имеют место два линейно поляризованных источника, разнесенных в пространстве на 90°, возбуждаемых равноамплитудным сигналом с относительным фазовым сдвигом ±90°.

Центральный штырь, соединяющий центр пластин с экраном, предназначен для устранения нежелательных типов, в частности нулевой моды. Кроме того, служат для повышения надежности антенного устройство при использовании его на летательных объектах (соединяет пластины с корпусом, исключает электрический пробой между пластинами).

В формуле изобретения указано, что размер щели должен быть больше 0.18W. При b.0,18W имеет место слабое вырождение, когда частоты незначительно отличаются друг от друга каждого типа колебания, т.е. получается режим круговой поляризации. При b 0,18W в резонаторной области

-одномодовый режим. Вырез в этом случае играет роль компенсационной неоднородности и позволяет несколько расширить полосу частот по входному сопротивлению.

Разнос частот fH и fb можно увеличить, если с противоположного угла прорезать аналогичные щели. Сущность технического решения не изменится, если вместо квадратного ИЭ будет выбран круглый.

Технико-экономические преимущества заявляемого технического решения по сравнению с прототипом: расширение рабочей полосы частот по Кэ, увеличение секторов сканирования по Кэ. существенное упрощение технологии изготовления двухдиапа- зонных МПа, имеется возможность подстройки рабочих частот.

Предложенная конструкция МПА имеет важное значение при разработке ФАР, так

как позволяет расширить сектор сканирования.

Формула изобретения Двухдиапазонная микрополосковая антенна с круговой поляризацией, содержащая две соосные квадратные металлические пластины, подключенные соответственно к первому и второму фидеру, а расположенные одна над другой параллельно металлическому экрану, и две неоднородности, отличающаяся тем, что, с целью увеличения рабочей полосы частот и сектора сканирования по коэффициенту эллиптичности, квадратные металлические пластины выполнены в виде щелей в углах квадратных металлических пластин шириной а 0,05W и длиной ,18W, где W-размер стороны квадратных металлических пластин, при этом оси симметрии щелей первой и второй

квадратных металлических пластин совпадают с их соответствующими диагоналями и образуют угол 90°.

Использование: самостоятельная антенна или элемент антенной решетки. Сущность изобретения: двухдиапаэонная микропслосковая антенна с круговой поляризацией содержит соосно расположенные металлические пластины (МП) 1, 2 квадрат ной формы, размещенные друг над другом параллельно металлическому экрану 3, диэлектрические подложки 4, 5, неоднородности 5, 7, короткозамыкатель 8 и входы 9, 10. Выполнение МП 1.2 одинаковыми по размеру, неоднородностей 6, 7 в виде щелей в углах МП 1. 2 заданными размерами, ортогональное размещение осей симметрии щелей первой 1 и второй 2 МП, а также запитка входов 9, 10 двухдиапазонной микрополо- сковой антенны с круговой поляризацией со сдвигом фаз 90° позволяют добиться увеличения рабочей полосы частот и сектора сканирования по коэффициенту эллиптичности. 3 ил. .