5.10. Коллинеарные антенны
Несимметричные электрические вибраторы (штыревые антенны) из-за слабой направленности излучения целесообразно применять в качестве антенн носимых и возимых радиостанций. В то же время, в составе приемопередатчиков, например, стационарных радиостанций, базовых станций систем сотовой связи желательно иметь антенны с круговой ДН в горизонтальной плоскости и узкой (шириной в среднем порядка 10 град.) ДН в вертикальной плоскости. Такие антенны обеспечивают КНД и КУ 8-15 дБ и позволяют, в частности, при одной и той же мощности передатчика существенно увеличить радиус действия системы связи по сравнению с вариантом использования обычного несимметричного вибратора. Примером антенн, обладающих подобными характеристиками, служат так называемые коллинеарные антенны ОВЧ-СВЧ диапазонов в виде линейных решеток соосно расположенных СЭВ, полосковых вибраторных или резонаторных излучателей и др. [9, 18].
Один из эффективных способов реализации коллинеарной антенны предусматривает использование линейной антенной решетки, в которой комбинируется несколько синфазных коллинеарных излучающих элементов с последовательным (рис. 5.30) [18] или параллельным питанием. Типовые конструкции коллинеарных антенных решеток УВЧ и СВЧ диапазонов с последовательным питанием приведены на рис. 5.30 [9, 18], на котором показаны: решетка вертикальных излучателей с фазирующими секциями (а); так называемая СОСО антенна из полуволновых отрезков коаксиального кабеля (б); альтернативный вариант СОСО антенны в виде печатной коллинеарной антенны ОМА [18]. Антенна ОМА (рис. 5.30) отличается компактностью, технологичностью и возможностью формирования спадающего к краям решетки амплитудного распределения.
Рис. 5.30. Варианты коллинеарных антенн
Представленные на рис. 5.30 антенны построены по одному принципу: в линейной решетке с последовательным питанием излучателей с помощью фазоинвертирующих элементов или путем переменно-фазного включения обеспечивается синфазное возбуждение излучателей на заданной рабочей частоте. Такие антенны работают в режиме, близком к режиму нормального излучения, с небольшим отклонением ГЛ ДН от нормали к оси решетки с целью обеспечения хорошего согласования антенн по входу. При изменении рабочей частоты ДН сканирует в пространстве, как у любой линейной антенной решетки с последовательным возбуждением элементов.
Коллинеарные антенны с последовательным питанием характеризуются КУ порядка 8-15 дБ; ширина полосы рабочих частот не превышает 5-10 %. Форма ДН в экваториальной плоскости близка к круговой: неравномерность КУ составляет в среднем 1,5-2 дБ.
На практике применяются и коллинеарные антенны с параллельной схемой возбуждения излучающих элементов, работающие в режиме нормального излучения в широкой (более 10 %) полосе частот.
5.11. Способы и устройства подключения вибраторных антенн к линиям передачи
К несимметричной антенне несимметричный фидер можно подключить непосредственно: центральный проводник к вибратору, а внешний к заземлению, противовесу или корпусу, если входное сопротивление антенны равно волновому сопротивлению фидера. В противном случае между антенной и фидером ставят согласующий трансформатор.
Непосредственное подключение несимметричной линии передачи — коаксиального фидера к симметричному вибратору, как это показано на рис. 5.31, а без симметрирующего устройства нарушает распределение токов в плечах вибратора и приводит к появлению токов на поверхности внешнего проводника фидера. В результате возникает антенный эффект фидера и при работе горизонтального вибратора на передачу создается паразитное излучение с вертикальной поляризацией, а при работе на прием счет асимметрии происходит прием вертикально ЭМВ. В целом, ДН может искажаться непредсказуемым образом.
Рис. 5.31. Эффект нарушения симметрии СЭВ при питании несимметричной линией передачи
На рис. 5.32 показано несколько распространенных вариантов питания СЭВ с помощью симметричных и несимметричных линий передачи [5, 10, 11].
Рис. 5.32. Варианты питания полуволновых СЭВ
Сплошной СЭВ на рис. 5.32, а питается симметричной двухпроводной ЛП, точки подключения которой симметрично смещены относительно середины СЭВ (точка а) так, чтобы обеспечить равенство входного сопротивления СЭВ и волнового сопротивления линии для снижения КСВ в линии (схема шунтового питания).
СЭВ, питаемый коаксиальным кабелем со стандартным волновым сопротивлением 75 Ом с помощью симметрирующего мостикового устройства, показан на рис. 5.32, б. Экранирующая оплетка кабеля и дополнительная металлическая трубка, замкнутые перемычкой, образуют четвертьволновый короткозамкнутый на конце отрезок двухпроводной линии, обладающий высоким входным сопротивлением. При этом электрические токи по оплетке кабеля и по поверхности трубки практически не протекают и симметрия СЭВ не нарушается. Устройство достаточно широкополосное и работает в относительной полосе частот до ±(20-30) %.
СЭВ, питаемый коаксиальным кабелем с помощью симметрирующего волнового U-колена, показан на рис. 5.32, в. U-колено состоит из двух отрезков кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом длиной и , — средняя рабочая длина волны в кабеле. Относительная полоса рабочих частот составляет ±(10-15) % средней частоты.
В [2, 5, 10, 11, 17] описаны и другие варианты питания обычных и петлевых СЭВ симметричными и несимметричными линиями передачи.
Коллинеарные системы
Согласно рис. 5.61б наибольшее значение усиления коллинеарных антенн достигается при расстоянии между диполями S = (0,3. 0,5)λ .
Усиление антенны при изменении числа используемых полуволновых коллинеарных диполей можно определить из табл. 5.8.
| Число диполей, n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Усиление, дБ | 0 | 1,8 | 3,2 | 4,5 | 5,4 | 6,2 | 6,9 | 7,5 |
Главный лепесток диаграммы имеет форму диска, лежащего в плоскости, перпендикулярной оси антенны (экваториальной плоскости). Чем больше излучающих элементов содержит антенна, тем уже главный лепесток диаграммы. При n > 2 в диаграмме появляются небольшие боковые лепестки. В экваториальной плоскости диаграмма имеет форму круга, которая не зависит от числа элементов излучения. Если такую антенну установить вертикально, то она будет иметь всенаправленное излучение в горизонтальной плоскости. Если не учитывать влияния земли, то основной лепесток диаграммы такой антенны ориентирован под углом θ = 0° в угломестной плоскости. Учет влияния земли можно оценить с помощью графиков, приведенных на рис. 2.47. В данном случае следует считать, что за высоту подвеса антенны над землей принимается половина высоты вертикальной коллинеарной антенны. Для горизонтально расположенной коллинеарной антенны вертикальное сечение ее диаграммы будет таким же, как для полуволнового горизонтального диполя (см. рис. 2.71).
Простейшей коллинеарной антенной является антенна Франклина (рис. 5.62), состоящая из двух полуволновых вибраторов.
Входное сопротивление антенны зависит от отношения d/λ , где d — диаметр провода антенны, а также от высоты подвеса антенны над землей. Входное сопротивление составляет от 1000 до 3000 Ом. Следовательно, антенна должна быть возбуждена с помощью резонансной линии, трансформирующей сопротивление на меньшее, например на 300 Ом.
Добавляя к концам диполя полуволновые отрезки, возбуждаемые через четвертьволновые замкнутые отрезки, получим антенну с большим усилением (рис. 5.62в, г). Если из коллинеарной антенны исключить шлейфы, изменяющие фазу на 180°, а концы вибраторов соединить между собой, та мы получим антенну типа LW.
Для трехэлементной коллинеарной антенны существуют два способа питания: напряжением (см. рис. 5.62в) и током (см. рис. 5.62г). Главный лепесток трехэлементной антенны значительно уже, чем у полуволновой антенны (рис. 5.62д). Еще более узкий лепесток имеет четырехэлементная антенна. Дальнейшее увеличение длины антенны дает меньший прирост усиления.
В антеннах с питанием напряжением (рис. 5.62в, е) входное сопротивление при увеличении числа вибраторов уменьшается с 3000 до 1000 Ом. При питании током (см. рис. 5.62г) для трехэлементной антенны входное сопротивление составляет 300 Ом. Это позволяет использовать симметричную линию питания.
Длина вибраторов l = 0,485λ, а длина шлейфов, выполненных в виде симметричной воздушной линии, lS = 0,242λ . Если шлейфы выполнить из двухпроводной линии в ленточном диэлектрике, то их длина lS = 0,205λ . Если же в качестве шлейфа использовать отрезок коаксиального кабеля, то его длина lS = 0,165λ .
Размещение вибраторов на расстоянии 0,25λ друг от друга несколько увеличивает усиление антенны. Этот эффект достигается путем отгибания половинок шлейфа в разные стороны, что позволяет расположить вибраторы на нужном расстоянии. Токи в обоих отрезках длиной λ/8 противоположны токам в полуволновых диполях, а их амплитуда мала. Такая антенна имеющая длину 5λ/4 , называется вытянутой антенной Цеппелина и имеет усиление около 3 дБ, что соответствует усилению трехэлементной коллинеарной антенны. Используя этот принцип, можно построить четырехэлементную антенну, имеющую усиление около 7 дБ (рис. 5.63в). В этой антенне два средних вибратора удлинены (фазовая длина составляет 280°), а крайние удлинены с одной стороны (фазовая длина составляет 230°). Это дает возможность получить расстояние S большее, чем 0,25λ .
Для лучшего согласования с линией питания следует найти соответствующую точку на замкнутой части шлейфа. Питание в эту антенну можно также подавать через замкнутую часть бокового шлейфа.
Устанавливая вертикально коллинеарную антенну, получаем антенну с круговой в горизонтальной плоскости диаграммой направленности, которая имеет большое значение усиления (рис. 5.64).
Выполнение четвертьволновых шлейфов из коаксиального кабеля позволяет получить более компактную конструкцию. Если вибраторы выполнить из полых трубок, то коаксиальные шлейфы можно разместить во внутренней полости вибраторов.
- Активные антенные системы
- Вверх
- Параллельная система излучателей
VKontakte
Facebook
Google+
Twitter
Коллинеарные антенны
Базовые антенные системы подвижной УКВ радиосвязи — транкинговой или конвенциальной обычно имеют круговую диаграмму направленности, чтоб абоненты всей сети были равнодоступны для ретранслятора. И если позволяет окружающее пространство на высотном объёкте, то применяют штыревые коллинеарные антенны с высоким усилением.
Коллинеарные — означает «соосные». То есть все излучающие элементы фазированной антенной решётки расположены друг под другом и тем самым обеспечивают усиление антенной системы при равномерном формировании поля в азимутальной плоскости. Фазировка происходит благодаря использованию линий питания одинаковой длины для всех активных элементов. Тогда все сигналы принятые каждым элементом приходят к общей точке в одной фазе, тем самым увеличивается усиление антенны (рис.1)
Методы запитки могут быть последовательные(рис. 2) или параллельные (рис. 3).
Вторая обеспечивает более широкую полосу по усилению, но сложна в реализации у антенн с большим усилением. Поэтому чаще применяют последовательное питание элементов. В этом случае мы получаем антенную решётку с достаточно узкой рабочей полосой. Это происходит в результате фазового набега в каждом последующем элементе от точки питания. Чем дальше от центральной частоты настройки уходим, тем больше разница в фазовом сдвиге в излучающих элементах. А это приводит к развалу диаграммы направленности, точнее отклонению главного лепестка от нормали (рис.4). Ведь в подвижной связи, коей является транкинг, базовая антенна ретранслятора должна иметь диаграмму направленности вдоль горизонта, сконцентрировав излучение у поверхности земли. Поэтому любые антенны с последовательным питанием имеют ограниченную рабочую полосу по усилению, часто не достаточную для работы транкового ретранслятора с одинаковым качеством на приём и на передачу. На одной из частот обязательно произойдёт завал диаграммы, и чем дальше частотный разнос в дуплексе, тем больше этот завал. Поэтому, ошибочным является убеждение, что рабочая полоса антенны считается по уровню КСВ 1.5. Она, конечно, излучает при этом, но куда? В космос или себе под ноги?
Технический принцип в компании «Радиал» гласит о том, что полосой антенны положено считать тот частотный участок, в котором усиление антенны не ухудшается более чем на 1 дБ (рис.5). При этом полоса по согласованию в любом случае остаётся более широкой.
В этой связи наши разработки имеют большой модельный ряд антенн одного типа, но разные по частотным поддиапазонам. Так, одна антенна может работать в качестве приёмной, а на передачу уже используется другая модель. Если же доступен только однофидерный вариант, то применяется компромиссная антенна, настроенная посередине этих двух участков (рис.6)
На таком принципе построен модельный ряд всех наших вертикальных коллинеарных антенн диапазона UHF, которые называются A6UHF. (дальше следует литера поддиапазона и порядковый номер в диапазоне). Структура излучателей построена по принципу, который имеет у нас на фирме внутреннюю аббревиатуру ATPU , что означает «антенны транспозиционные UHF.Электрическая схема излучающей части антенны по технологии ATPU изображена на рис.7 .Здесь цилиндрические медные стаканы длиной около 0,66 длины волны запитаны последовательно со сменой фазы на 180 градусов. Таким образом, сигнал от соседнего излучающего элемента поступает на следующий излучатель со сдвигом фазы в полволны, что приводит к сложению всех сигналов с одним знаком в точке питания. Как и все антенны последовательного питания, эта коллинеарка имеет частотное сканирование, но в пределах своего диапазона оно не существенно и не превышает падение усиления более чем на 1 дБ.
К сожалению, технология ATPU не применима в VHF диапазоне, что в первую очередь связано потребностью в большом количестве излучателей и результирующей высотой структуры около 10 метров. К тому же реальная рабочая полоса сужается до 4-5 МГц, что практически не позволяет создать полнодуплексный экземпляр антенны и требуется выпуск большого модельного ряда этих антенн в диапазоне VHF.
Для реализации антенн с круговой направленностью, широкой полосой и повышенным усилением были разработаны антенны серий F2VHF и F2VM. Конструктивно вертикальные коллинеарные антенны типа F выглядят примерно так (рис.8). На центральном несущем жестком коаксиале из алюминиевой трубки надеты несколько широкополосных четвертьволновых «стаканов». Часть из них служат излучателями, а часть фильтрами-пробками, для устранения затекания токов на нежелательные поверхности антенны. Несущая трубка служит также и надёжной грозозащитой, поскольку идёт вдоль всей антенны и напрямую соединяет верхушку с мачтой. Внутри уложен коаксиальный кабель и согласующие трансформаторы и шлейфы. Несмотря на то верхний элемент запитан относительно нижнего с некоторым фазовым сдвигом, ширина рабочей полосы всё равно достаточно высокая и составляет 11-12 МГц на VHF диапазоне, что неоднократно проверено при измерении диаграммы направленности и усиления антенны. Излучающая система сварена из алюминиевых сплавов и защищена прочным стеклопластиковым чехлом. Сверху антенна снабжена рым-болтом, удобным для подъёма антенны при установке.
Таким образом, вертикальная коллинеарная антенна F2VHF оказывается незаменимым элементом в ретрансляторах различных транкинговых систем, различных протоколов, например SmarTrunkII. Или для обычной мобильной радиосвязи, где имеется дуплексный разнос 4-5 МГц и даже более. Альтернативой таким антеннам по широкополосности являются только дипольные антенные решётки, которые, как известно, не имеют идеальной круговой диаграммы направленности.
Информация, представленная на этой странице не является официальной офертой.
Для уточнения актуальных параметров свяжитесь с отделом продаж перед оформлением заказа.
RU2802167C1 — Двухполяризационная коллинеарная антенна — Google Patents
Publication number RU2802167C1 RU2802167C1 RU2023114802A RU2023114802A RU2802167C1 RU 2802167 C1 RU2802167 C1 RU 2802167C1 RU 2023114802 A RU2023114802 A RU 2023114802A RU 2023114802 A RU2023114802 A RU 2023114802A RU 2802167 C1 RU2802167 C1 RU 2802167C1 Authority RU Russia Prior art keywords antenna electric type antenna array excitation Prior art date 2023-06-06 Application number RU2023114802A Other languages English ( en ) Inventor Максим Олегович Коноваленко Original Assignee Акционерное общество «Научно-производственная фирма «Микран» Filing date 2023-06-06 Publication date 2023-08-22 2023-06-06 Application filed by Акционерное общество «Научно-производственная фирма «Микран» filed Critical Акционерное общество «Научно-производственная фирма «Микран» 2023-08-22 Application granted granted Critical 2023-08-22 Publication of RU2802167C1 publication Critical patent/RU2802167C1/ru
Links
Abstract
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.
Description
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).
Claims ( 2 )
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.