микрополосковая антенна с широкой диаграммой направленности

Формула изобретения

Микрополосковая антенна с широкой диаграммой направленности, содержащая антенный элемент, выполненный в виде печатного проводника с подложкой, высокочастотный кабель с высокочастотным соединителем на конце и проводящий экран, отличающаяся тем, что подложка антенного элемента выполнена стаканообразной формы из диэлектрического материала с экранной металлизированной внутренней полостью, при этом печатный проводник, расположенный сверху диэлектрического стакана, соединен с высокочастотным кабелем через металлизированную внутреннюю полость подложки и отверстие проводящего экрана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве самостоятельной антенны или элемента фазированной антенной решетки со сканированием луча в широком секторе углов, в частности, в качестве приемной антенны в аппаратуре пользователей космических навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS).

Одним из основных недостатков микрополосковых антенн является их узкополосность. Ограничение полосы происходит из-за резкого рассогласования антенны уже при небольших расстройствах частоты от резонанса.

Одним из основных путей расширения рабочей частоты является выбор формы или размеров излучателя.

Ширина диаграммы направленности определяется апертурой печатного проводника антенного элемента, которая, в свою очередь, для фиксированной рабочей частоты обратно пропорциональна величине диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки. С увеличением диэлектрической проницаемости подложки апертура печатного проводника уменьшается, а ширина диаграммы направленности увеличивается. Это свойство чаще всего используется для расширения диаграммы направленности микрополосковых антенн. Однако уменьшение апертуры печатного проводника в конце концов ведет к падению эффективности излучения микрополосковой антенны.

Известна дисковая микрополосковая антенна, содержащая диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен металлический экран, а на другой первый диск металлического излучателя, согласующий элемент, расположенный между металлическим излучателем и металлическим экраном, и коаксиальный фидер, при этом согласующий элемент выполнен в виде второго металлического диска и отрезка металлического проводника, который соединен с первым и вторым металлическими излучателями в двух точках, расположенных в их центрах симметрии (а.с. №1543483, кл. МПК H 01 Q 1/38, опубликовано 15.02.90 г.).

Улучшение согласования и уменьшение габаритов антенны достигается путем подбора размеров второго диска, отрезка металлического проводника диска излучателя и диэлектрической подложки в соответствии с предложенными соотношениями. При этом введение второго диска приводит к уменьшению апертуры антенны и, как следствие, к небольшому расширению диаграммы направленности.

Известна также антенна, которая содержит полый круговой цилиндр из диэлектрика, на внешнюю поверхность которого нанесен полосковый проводник в виде спирали, а внутренняя поверхность металлизирована и заземлена, при этом полосковый проводник имеет постоянную ширину, а расстояние между витками равно половине этой ширины, питание при помощи коаксиального кабеля (патент США №4323900, кл. МПК H 01 Q 1/38 от 06.04.82 г.). Однако это устройство сложное в технологическом плане и настройке.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является микрополосный излучатель с широкой диаграммой направленности. Устройство содержит базовую электропроводящую опорную поверхность, над которой возвышается цокольная электропроводящая поверхность, электрически соединенная с базовой поверхностью, антенный элемент, расположенный на вершине цокольной поверхности. Действительная излучающая апертура определяется пространством между периферией поверхности антенного элемента и цокольной поверхностью. С поверхностью антенного элемента электрически соединено возбуждающее ВЧ-устройство для подвода и отвода ВЧ-энергии от поверхности антенного элемента (патент США №4051477, МПК H 01 Q 1/38 от 27.09.77 г.).

Расширение диаграммы направленности происходит за счет приподнятая антенного элемента над экранной плоскостью. Однако, вследствие того, что боковая токовая поверхность не покрыта диэлектрическим материалом, то токи на ней будут меньше, чем в случае присутствия на ней диэлектрического материала, и, как следствие, эффект расширения диаграммы направленности понижен.

В основу изобретения поставлена задача получения более широкой диаграммы направленности во всенаправленных командных, телеметрических и связных радиолиниях, например для приемных антенн в аппаратуре пользователей космических навигационных систем.

Поставленная задача решается тем, что микрополосковая антенна, содержащая антенный элемент, высокочастотный кабель с высокочастотным соединителем, на конце, подложка антенного элемента выполнена в виде стаканообразного керамического корпуса, металлизированного изнутри.

На чертеже представлен общий вид заявляемой антенны. Микрополосковая антенна содержит печатный проводник 1, диэлектрическую подложку 2 с нанесенной изнутри металлизацией 3, высокочастотный кабель 4 с высокочастотным соединителем 5 на конце и проводящий экран 6.

Антенный элемент включает в себя печатный проводник 1 и диэлектрическую подложку 2, которая выполнена в виде цилиндрического стакана с нижним фланцем из диэлектрического материала, внутренняя полость которого металлизирована, включая нижний фланец стакана.

Печатный проводник 1 расположен на наружной части стакана сверху, а сама подложка с фланцем 2 закреплена на проводящем экране 6.

Высокочастотный кабель 4 одним концом электрически соединен с печатным проводником 1 антенного элемента, внешний проводник кабеля припаян к металлизированному слою 3 внутренней полости подложки 2, а второй конец кабеля соединен с высокочастотным соединителем 5.

При этом высокочастотный кабель проходит через металлизированную внутреннюю полость и отверстие в проводящем экране 6.

Место соединения высокочастотного кабеля с антенным элементом выбрано из условия их оптимального согласования по импедансам.

Проводящий экран 6 электрически соединен с экранной металлизированной внутренней полостью корпуса и служит для создания однонаправленного излучения (приема) высокочастотной антенны. При подаче высокочастотного сигнала на вход антенны в ней возбуждаются высокочастотные колебания определенного типа, а излучение осуществляется за счет поля, «выступающего» из кромок антенны, а именно из зазоров между печатным проводником 1 и нижней металлизированной поверхностью диэлектрической подложки 2.

В заявляемой микрополосковой антенне, как и в аналоге, расширение диаграммы направленности происходит за счет приподнятия печатного проводника 1 антенного элемента над экранной плоскостью 6.

Приподнятый над экраном 6 микрополосковый излучатель 1 эквивалентен действию двух излучателей: реального и мнимого, расположенного зеркально под экранной плоскостью 6. Суммарная диаграмма направленности двух таких излучателей дает повышение уровня мощности, излучаемой в направлении углов, близких к экранной плоскости. Увеличение этой мощности приводит к расширению диаграммы направленности антенны. Степень расширения диаграммы направленности зависит от высоты поднятия микрополоскового излучателя 1 над экранной плоскостью 6. Поскольку же боковая проводящая поверхность диэлектрической подложки 2 в заявляемой микрополосковой антенне покрыта диэлектрическим слоем, то и мощность, излучаемая в направлении углов, близких к экранной плоскости будет больше, чем в случае отсутствия диэлектрического покрытия на боковой поверхности «пьедестала». Причем увеличение этой мощности будет тем больше, чем выше значение диэлектрической проницаемости материала диэлектрической подложки 1. Как следствие, эффект расширения диаграммы направленности в заявляемой микрополосковой антенне более выражен, чем в аналоге. Именно поэтому введение диэлектрического слоя на боковой поверхности антенного элемента в заявляемой микрополосковой антенне дает дополнительную возможность для расширения диаграммы направленности микрополосковой антенны.