Микрополосковая антенна метрового диапазона с круговой поляризацией

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно, к микрополосковым антеннам с круговой поляризацией. Может быть использована в качестве миниатюрной приемопередающей антенны в различных радиотехнических системах, в частности, на космических аппаратах. Антенна содержит металлизированную диэлектрическую подложку в форме параллелепипеда и содержит один слой диэлектрика. Излучатель в виде прямоугольной металлической пластины расположен на верхней плоской стороне подложки, нижняя сторона которой полностью металлизирована. Два смежных торца диэлектрической подложки содержат соединенные между собой металлические стенки, выполняющие роль короткозамыкателя и образующие вместе с излучателем и нижней металлической поверхностью диэлектрической подложки - закрытый угол. Точка запитки антенны расположена на излучателе в экспериментально подобранном месте. Микрополосковая антенна является простой в исполнении четвертьволновой антенной метрового диапазона с круговой поляризацией и малыми габаритами, обеспеченными короткозамыкателем, позволяющим уменьшить габариты антенны по сравнению с полуволновой микрополосковой антенной этого же диапазона примерно в два раза при сохранении тех же высоких энергетических характеристик.

Назначение

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно, к микрополосковым (печатным) антеннам метрового диапазона с круговой поляризацией. Может быть использована в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, в частности, на космических аппаратах.

Уровень техники

Микрополосковые антенны, изготовляемые по технологии интегральных схем, широко используются в различных радиоэлектронных системах. Данный тип антенн обеспечивает высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры, массу. Микрополосковые антенны способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, допускают удобные решения для обеспечения работы в двух- или многочастотных режимах и т.д. [Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь. 1986. 144 с].

Известна микрополосковая антенна по патенту РФ на полезную модель 116698, которая относится к антенной технике, в частности к приемным антеннам с круговой поляризацией. Техническим результатом явилось создание антенны круговой поляризации с двухчастотным режимом работы планарного типа с повышенной помехозащищенностью. В микрополосковой приемной активной антенне круговой поляризации, включающей корпус с обтекателем, установленный на нем излучатель в виде платы, имеющей диэлектрическую подложку и выполненный на ее поверхности планарный, симметричной формы относительно центральной оси, антенный элемент, делитель на два, малошумящий усилитель и штыри связи, соединяющие усилитель с излучателем в двух точках, расположенных под углом 90° относительно центра излучателя, плата излучателя снабжена вторым планарным антенным элементом в виде ленты, расположенной по контуру первого антенного элемента с зазором и соединенной с ним четырьмя полосковыми линиями. При этом второй антенный элемент имеет разрывы, в которых установлены сосредоточенные емкости, образующие вместе с сегментами элемента метаматериал. Малошумящий усилитель расположен в корпусе под излучателем и выполнен в виде соединенных последовательно-ограничительной диодной сборки, дуплексного фильтра, разделяющего усилительный тракт на два канала, по одному каскаду усиления в каждом канале, дуплексного фильтра и общего каскада усиления. Недостатком данной антенны является сложная конструкция.

Известна микрополосковая антенна по заявке на изобретение 2002134348, которая относится к антенной технике, в частности к микрополосковым антеннам с круговой поляризацией. Антенна содержит микрополосковую линию, с одной стороны которой расположена возбуждающая структура, а с другой стороны заземляющий проводник с выполненными в нем щелями, являющимися одновременно излучателем. Щели расположены взаимоперпендикулярно по смежным сторонам излучателя, связанного со щелями через первый и второй слои диэлектрика. Диэлектрическая постоянная второго слоя в два раза больше диэлектрической постоянной первого слоя диэлектрика, причем щели возбуждены последовательно одним отрезком микрополосковой линии.

Недостатком данной антенны является сложная конструкция, а именно наличие нескольких слоев диэлектриков и использование щелей для обеспечения круговой поляризации.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели является полезная модель, взятая за прототип, по патенту 133655, которая относится к антенной и микрополосковой технике и может быть использована в радиометрии и аппаратуре связи. Эта микрополосковая спиральная антенна с двусторонней круговой поляризацией содержит многослойную диэлектрическую подложку, на одной стороне которой выполнена импедансная одно- или многозаходная спираль, а на другой расположен изотропный металлический экран. Согласно описанию полезной модели, диэлектрическая подложка имеет толщину, равную четверти рабочей длины волны, и содержит не менее трех слоев с линейно уменьшающимся от плоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновым сопротивлением. Предложенная миниатюрная антенна обладает габаритными размерами, меньшими рабочей длины волны, и сохраняет направленные свойства в широкой полосе частот.

Недостатком данной антенны является сложность конструкции самой антенны из-за использования многослойной подложки и сложность исполнения излучателя, выполненного в виде спирали.

При разработке бортовых антенн особое внимание уделяется размещению их на поверхности космического аппарата, что в свою очередь накладывает жесткие ограничение по массогабаритным показателям антенн. [Бочаров В.С, Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Особенности бортовых антенно-фидерных устройств космических аппаратов. Материалы научно-технического семинара Перспективы развития антенно-фидерных устройств летательных аппаратов. - Истра: ОАО НИИЭМ. 2013. С. 55-58]. Особенно это важно при разработке бортовых антенн для использования в составе антенной системы малых космических аппаратов.

Целью создания полезной модели является упрощение конструкции микрополосковой антенны метрового диапазона с круговой поляризацией при обеспечении высоких показателей по энергетическим характеристикам и минимальных габаритах.

Раскрытие полезной модели

Сущность заключается в том, что для достижения поставленной цели - упрощение конструкции - излучатель антенны выполнен в форме прямоугольника на основе одной плоской стороны металлизированной (например, фольгированной) диэлектрической подложки, материал которой имеет большую диэлектрическую проницаемость. Кроме того, введен новый элемент - короткозамыкатель, выполненный в виде закорачивающих пластин, размещенных на двух смежных торцах подложки, с помощью которых в антенне образуется закрытый угол, что позволяет выполнить четвертьволновую антенну и сформировать поле с круговой поляризацией.

Конструкция представляет собой следующее:

На металлизированной однослойной диэлектрической подложке из СВЧ диэлектрика (материала с большим значением диэлектрической проницаемости и низким значением потерь) размещен излучатель в виде прямоугольника. Сама подложка также имеет прямоугольную форму (параллелепипед). По двум боковым смежным торцам диэлектрической подложки выполнены соединенные между собой закорачивающие металлические пластины, играющие роль короткозамыкателя. Точка запитки антенны располагается на излучателе.

Как известно [Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. Нефедов Е.И. - М.: Издательский центр «Академия», 2010. 320 с], габариты микрополосковой антенны рассчитываются по следующим формулам:

где w - ширина излучателя, c - скорость света; f_p - резонансная частота излучения; e - диэлектрическая проницаемость подложки;

где L - длина излучателя, _эфф - эффективная диэлектрическая проницаемость.

Учитывая тот факт, что в конструкцию антенны введен короткозамыкатель, то формулы (1) и (2) будут выглядеть следующим образом:

При сравнении формул (1) и (2) с формулами (3) и (4) видно, что применение короткозамыкателей в конструкции антенны позволяет создать четвертьволновую микрополосковую антенну вместо полуволновой. А как известно, четвертьволновые антенны имеют меньшие габариты по сравнению с полуволновыми антеннами [Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Антенны и устройство СВЧ / под редакцией Д.И. Воскресенского. Изд. 3-е. М.: Радиотехника. 2008].

Введение новых существенных признаков:

- прямоугольная форма излучателя антенны,

- применение в качестве подложки однослойного диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью,

- использование в конструкции антенны нового элемента короткозамыкателя, выполненного в виде закорачивающих пластин, расположенных на смежных боковых торцах подложки,

позволяет обеспечить излучение антенны с поляризацией, близкой к круговой, причем простым по форме (прямоугольник) излучателем, и уменьшить, благодаря введенному короткозамыкателю, габариты антенны (по сравнению с полуволновой микрополосковой антенной этого же диапазона) примерно в два раза.

Все введенные признаки обеспечивают достижение поставленной цели - упрощают конструкцию микрополосковой антенны метрового диапазона при сохранении высоких энергетических характеристик и минимизации габаритных размеров.

Дополнительно достигнуто другое преимущество - повышение надежности антенны (количество элементов, входящих в структуру антенны, минимально, а, следовательно, выше надежность).

Перечень графических фигур

Фиг. 1 3D-модель микрополосковой антенны метрового диапазона с круговой поляризацией, где цифрами обозначено:

1 - излучатель

2 - диэлектрическая подложка

3 - короткозамыкатель

4 - точка запитки

Фиг. 2. График зависимости коэффициента стоячей волны модели микрополосковой антенны метрового диапазона с круговой поляризацией, где по оси абсцисс отложена частота в МГц, а по оси ординат значение коэффициента стоячей волны б/р. Как правило, к коэффициенту стоячей волны бортовых антенн космических аппаратов предъявляется требование, которое заключается в ограничении этого параметра не более 2. Как видно из представленного графика, рабочей частотой модели антенны является 137 МГц, что соответствует метровому диапазону волн, а значение коэффициента стоячей волны на рабочей частоте 137 МГц составляет 1,1 и не превышает заданного предела равного 2 в достаточно широком диапазоне частот (примерно ±5 МГц).

Фиг. 3. График зависимости диаграммы направленности модели микрополосковой антенны метрового диапазона с круговой поляризацией, где по оси абсцисс отложены значение угла в градусах, а по оси ординат значение напряженности поля Е в дБ. Как правило, к диаграмме направленности бортовых антенн космических аппаратов предъявляется требование, которое заключается, в зависимости от целевой задачи антенной системы, в ее ширине. Как видно из представленного графика, диаграмма направленности имеет преимущественное направление на центр Земли (излучение вдоль оси абсцисс), а также обеспечивает излучение в пределах ±45°, т.е. достаточно широкая.

Фиг. 4. График зависимости коэффициента усиления модели микрополосковой антенны метрового диапазона с круговой поляризацией, где по оси абсцисс отложены значение угла в градусах, а по оси ординат значение коэффициента усиления в дБ. Как правило, к коэффициенту усиления бортовых антенн космических аппаратов предъявляется требование, которое заключается, в зависимости от целевой задачи антенной системы, в получении максимально возможного коэффициента усиления для обеспечения более качественной и уверенной передачи данных. Как видно из представленного графика, коэффициент усиления модели в направлении центра Земли составляет порядка 4 дБ (усиление вдоль оси абсцисс), а усиление в пределах ±45° составляет примерно 2,2 дБ, т.е. данная модель антенны обладает достаточно хорошим коэффициентом усиления.

Фиг. 5. График зависимости коэффициента эллиптичности модели микрополосковой антенны метрового диапазона с круговой поляризацией, где по оси абсцисс отложены значение угла в градусах, а по оси ординат значение коэффициента эллиптичности б/р. Как правило, для бортовых антенн космических аппаратов желательно излучение поля круговой поляризации, с помощью которого при наличии неопределенности положения космического аппарата относительно наземного пункта приема существовала бы возможность осуществления связи с аппаратом. Как видно из представленного графика, данная модель антенны излучает поле с поляризацией близкой к круговой, что в свою очередь повышает качество связи и передачи данных.

Осуществление полезной модели.

Микрополосковая антенна состоит из излучателя 1 прямоугольной формы, расположенного на металлизированной (фольгированной) диэлектрической подложке 2, имеющей форму параллелепипеда. Короткозамыкатель 3 расположен на одной паре боковых смежных торцов антенны таким образом, что образует вместе с излучателем и нижней металлизированной поверхностью подложки закрытый угол. Запитка антенны осуществляется с помощью коаксиального кабеля в точке запитки 4, которая расположена на поверхности излучателя 1. Место точки запитки 4 подбирается экспериментально при настройке антенны. В указанном месте, с помощью сверления отверстия и затем пайки, осуществляется заделка коаксиального кабеля либо высокочастотного соединителя.

С помощью системы автоматизированного проектирования Electromagnetic Professional (EMPro), для проектирования антенн и устройств СВЧ, было осуществлено электродинамическое моделирование модели микрополосковой антенны метрового диапазона с круговой поляризацией. Для моделирования были использованы следующие входные данные:

- материал диэлектрика - фольгированный арилокс листовой наполненный (ФЛАН);

- значение диэлектрической проницаемости б/р - 10;

- значение тангенса диэлектрических потерь tg б/р - 1,5 10^-3;

- толщина подложки - 20 мм;

- запитка антенны осуществлялась с помощью штыря, который проходил через диэлектрик и соединялся с излучателем;

- точка запитки была расположена на оси симметрии антенны на расстоянии примерно 2/3 длины излучателя от меньшего торца с короткозамыкателем;

- метод моделирования - метод конечных элементов;

- габариты модели антенны - 25028020 мм.

Описание работы антенны

По коаксиальному кабелю происходит запитка антенны в точке запитки 4. Подача напряжения в эту точку вызывает возбуждение двух ортогональных вырожденных типов колебаний в одной точке. В закрытой части конструкции антенны, которая сформирована короткозамыкателем 3, происходит формирование поля излучения с круговой поляризацией. А излучение энергии излучателем 1, который расположен на диэлектрической подложке 2, в пространство осуществляется свободными, не закрытыми металлом, боковыми торцами антенны.

Таким образом, предлагаемая микрополосковая антенна является простой в исполнении четвертьволновой микрополосковой антенной метрового диапазона с круговой поляризацией и малыми габаритами, обеспеченными короткозамыкателем, позволяющим уменьшить габариты антенны по сравнению с полуволновой микрополосковой антенной этого же диапазона примерно в два раза при сохранении тех же высоких энергетических характеристик.

1. Микрополосковая антенна метрового диапазона с круговой поляризацией, содержащая металлизированную диэлектрическую подложку, одна плоская сторона которой полностью металлическая, а на другой расположен металлический излучатель, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка исполнена в форме параллелепипеда и содержит один слой диэлектрика, излучатель выполнен в форме прямоугольника, а два смежных торца диэлектрической подложки содержат соединенные между собой металлические стенки, выполняющие роль короткозамыкателя и образующие вместе с излучателем и нижней металлической поверхностью диэлектрической подложки закрытый угол, при этом точка запитки антенны расположена на излучателе.

2. Микрополосковая антенна по п. 1, отличающаяся тем, что точка запитки антенны расположена на оси симметрии антенны на расстоянии примерно 2/3 длины излучателя от меньшего торца с короткозамыкателем, при этом ее точное месторасположение подбирается экспериментально.