RU2448396C1 - Antenna-filter - Google Patents
Antenna-filter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2448396C1 RU2448396C1 RU2011105072/07A RU2011105072A RU2448396C1 RU 2448396 C1 RU2448396 C1 RU 2448396C1 RU 2011105072/07 A RU2011105072/07 A RU 2011105072/07A RU 2011105072 A RU2011105072 A RU 2011105072A RU 2448396 C1 RU2448396 C1 RU 2448396C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- strip
- main
- conductor
- emitter
- radiator
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны приемного устройства спутниковой навигации.The invention relates to antenna technology and can be used as an antenna of a receiving device for satellite navigation.
Печатные антенны, в том числе одиночные излучатели и решетки, нашли широкое применение в различных радиоэлектронных системах. К числу их достоинств относятся малые габариты, высокая технологичность и низкая стоимость, надежность и т.д. Известны простейшие печатные антенны, имеющие один диэлектрический слой, на поверхности которого нанесены металлические проводники (Т.Haddrell, J P.Bickerstaff, M.Phocas. Realisable GPS Antennas for Integrated Hand Held products. ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division, 13-16 September 2005, Long Beach, CA). Один из них полностью покрывает поверхность диэлектрического слоя, а другой может иметь более сложную форму. Первый проводник называют экраном, а второй полосковым проводником. Как правило, диэлектрический и металлические слои имеют прямоугольную форму или форму круга. Связь такой антенны с внешними устройствами обеспечивается с помощью элемента возбуждения. Часто в качестве элемента возбуждения используют коаксиальный кабель, центральный проводник которого имеет контакт с полосковым проводником, а внешний проводник - с экраном. Возможны также и другие элементы возбуждения, например технологичный элемент возбуждения полосковой линией через щель.Printed antennas, including single emitters and arrays, are widely used in various electronic systems. Their advantages include small dimensions, high adaptability and low cost, reliability, etc. The simplest printed antennas are known having a single dielectric layer on the surface of which metal conductors are applied (T. Haddrell, J P. Bickerstaff, M.Phocas. Realisable GPS Antennas for Integrated Hand Held products. ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division, 13-16 September 2005, Long Beach, CA). One of them completely covers the surface of the dielectric layer, and the other may have a more complex shape. The first conductor is called a screen, and the second is a strip conductor. Typically, the dielectric and metal layers have a rectangular shape or a circle shape. The connection of such an antenna with external devices is provided using an excitation element. Often, a coaxial cable is used as an excitation element, the central conductor of which has contact with the strip conductor, and the external conductor with the screen. Other excitation elements are also possible, for example, a technological excitation element by a strip line through a slit.
Известны также печатные антенны с круговой поляризацией. Они могут иметь форму круга (Wood С.Analysis of microstrip circular patch antenna. // Proc. IEEE AP. 1981. V.128. N2. P.69) или квадрата (Waterhause R. Small microstrip patch antenna. // Electron. Lett. 1995. V.31. N4. P.604) или близкую к ним. Точный выбор формы зависит от числа элементов возбуждения, которые используются для связи с внешней схемой. Если антенна имеет один элемент связи, то форма антенны, то есть форма полоскового проводника, близка к квадрату или кругу, но не совпадает с ними полностью. При использовании двух элементов связи антенна имеет строго круглую или квадратную форму. В общем случае ее форма должна иметь симметрию поворота на 90 градусов.Circularly polarized printed antennas are also known. They can be in the shape of a circle (Wood C. Analysis of microstrip circular patch antenna. // Proc. IEEE AP. 1981. V.128. N2. P.69) or square (Waterhause R. Small microstrip patch antenna. // Electron. Lett. 1995. V.31. N4. P.604) or close to them. The exact choice of shape depends on the number of excitation elements that are used to communicate with the external circuit. If the antenna has one communication element, then the shape of the antenna, that is, the shape of the strip conductor, is close to a square or circle, but does not completely coincide with them. When using two communication elements, the antenna has a strictly round or square shape. In general, its shape should have a 90 degree rotation symmetry.
Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявленному изобретению является печатная антенна (патент РФ 1401530, Бычкова Л.В., Иванов В.Э., Панченко Б.А. Микрополосковая активная антенна), содержащая излучатель, выполненный на диэлектрической подложке, на одной поверхности которой расположен полосковый проводник, а на другой поверхности - металлический экран, примыкающий одной стороной к диэлектрической подложке, основной полосковый резонатор, расположенный на противоположной стороне металлического экрана, и элемент связи основного полоскового резонатора с излучателем. Недостатком такой антенны является малая прямоугольность частотной характеристики ее коэффициента усиления (КУ), а также большие поляризационные потери мощности при приеме и передаче волн круговой поляризации. Печатная антенна представляет собой СВЧ резонатор, связанный с СВЧ генератором на полупроводниковом диоде, который излучает в свободное пространство волны линейной поляризации с максимальной интенсивностью на одной частоте. В этом случае частотная характеристика КУ совпадает с характеристикой одиночного резонансного контура.The closest technical solution of the same purpose to the claimed invention is a printed antenna (RF patent 1401530, Bychkova L.V., Ivanov V.E., Panchenko B.A. Microstrip active antenna) containing an emitter made on a dielectric substrate, on one the surface of which is a strip conductor, and on the other surface there is a metal screen adjacent to one side of the dielectric substrate, the main strip resonator located on the opposite side of the metal screen, and the coupling element main strip resonator with emitter. The disadvantage of this antenna is the small squareness of the frequency response of its gain (KU), as well as large polarization power losses when receiving and transmitting circularly polarized waves. A printed antenna is a microwave resonator coupled to a microwave generator using a semiconductor diode that emits linearly polarized waves with maximum intensity at a single frequency into free space. In this case, the frequency response of the KU coincides with the characteristic of a single resonant circuit.
В то же время создание антенны-фильтра с прямоугольной частотной характеристикой КУ представляет интерес с точки зрения совмещения функций приема/передачи сигналов и их частотной селекции. Такое совмещение функций избавляет от необходимости применения дополнительных элементовAt the same time, the creation of an antenna filter with a rectangular frequency response KU is of interest from the point of view of combining the functions of receiving / transmitting signals and their frequency selection. This combination of functions eliminates the need for additional elements
приемопередающего тракта в виде полосовых фильтров, что снижает стоимость и повышает технологичность различных радиоэлектронных систем. Важным показателем качества антенны является возможность ее работы с волнами круговой поляризации, которые используются для передачи информации во многих радиоэлектронных системах, например в системах спутниковой навигации. Поэтому представляет интерес создание антенны-фильтра, которая наряду с выполнением функции частотной селекции имела бы малые поляризационные потери мощности, которые характеризуются коэффициентом эллиптичности (КЭ).transceiver path in the form of band-pass filters, which reduces the cost and improves the manufacturability of various electronic systems. An important indicator of the quality of the antenna is the ability to work with circular polarized waves, which are used to transmit information in many electronic systems, for example, satellite navigation systems. Therefore, it is of interest to create an antenna filter that, along with performing the function of frequency selection, would have small polarization power losses, which are characterized by an ellipticity coefficient (CE).
Предлагаемое техническое решение нацелено на получение технического результата, выражающегося в формировании частотной характеристики КУ повышенной степени прямоугольности, что избавляет от необходимости применения дополнительных элементов приемопередающего тракта в виде полосовых фильтров и таким образом снижает стоимость и повышает технологичность радиоэлектронных систем. Кроме того, получаемый технический результат выражается в повышении КЭ антенны-фильтра до значений, обеспечивающих эффективный прием и передачу волн круговой поляризации.The proposed technical solution is aimed at obtaining a technical result, expressed in the formation of the frequency response of a high gain rectangular device, which eliminates the need for additional elements of the transceiver path in the form of band-pass filters and thus reduces the cost and improves the manufacturability of electronic systems. In addition, the obtained technical result is expressed in increasing the FE of the antenna filter to values providing efficient reception and transmission of circular polarized waves.
Предлагаемая антенна-фильтр, содержащая излучатель, выполненный на диэлектрической подложке, на одной поверхности которой расположен полосковый проводник, а на другой поверхности металлический экран, примыкающий одной стороной к диэлектрической подложке, основной полосковый резонатор, расположенный на противоположной стороне металлического экрана, и элемент связи основного полоскового резонатора с излучателем, решает задачу повышения прямоугольности частотной характеристики коэффициента усиления и уменьшения поляризационных потерь при приеме и передаче волн круговой поляризации.The proposed antenna filter containing an emitter made on a dielectric substrate, on one surface of which is a strip conductor, and on the other surface is a metal screen adjacent to one side of the dielectric substrate, a main strip resonator located on the opposite side of the metal screen, and a communication element of the main a strip resonator with an emitter, solves the problem of increasing the squareness of the frequency response of the gain and reducing the polarization Eph the reception and transmission of circularly polarized waves.
Эта задача решается за счет введения дополнительного полоскового резонатора, элемента связи дополнительного полоскового резонатора с излучателем и квадратурного сумматора мощности, дополнительный полосковый резонатор и элемент связи дополнительного полоскового резонатора с излучателем выполнены идентичными основному полосковому резонатору и элементу связи основного полоскового резонатора с излучателем, элементы связи основного и дополнительного полосковых резонаторов с излучателем выполнены в виде металлических проводников, расположенных перпендикулярно металлическому экрану, причем металлический проводник элемента связи основного полоскового резонатора с излучателем имеет электрический контакт с проводником основного полоскового резонатора, а металлический проводник элемента связи дополнительного полоскового резонатора с излучателем имеет электрический контакт с проводником дополнительного полоскового излучателя, указанные металлические проводники погружены внутрь излучателя через отверстия, выполненные в металлическом экране, полосковый проводник излучателя выполнен в форме, имеющей симметрию поворота на девяносто градусов, относительно оси, перпендикулярной полосковому проводнику и проходящей через его центр, а оси металлических проводников элементов связи основного и дополнительного полосковых резонаторов с излучателем расположены на одинаковом расстоянии от центра полоскового проводника излучателя, причем линии, соединяющие центр полоскового проводника излучателя с осями металлических проводников элементов связи основного и дополнительного полосковых резонаторов с излучателем, образуют прямой угол, боковые плечи квадратурного сумматора мощности соединены с проводниками основного и дополнительного полосковых резонаторов в точках, расположенных на одинаковом расстоянии от концов указанных проводников.This problem is solved by introducing an additional strip resonator, an element for coupling an additional strip resonator with an emitter, and a quadrature power adder, an additional strip resonator and an element for coupling an additional strip resonator with an emitter made identical to the main strip resonator and the element for coupling the main strip resonator with the emitter, and elements for coupling the main and additional strip resonators with a radiator made in the form of metal conductors, p perpendicular to the metal screen, and the metal conductor of the coupling element of the main strip resonator with the emitter has electrical contact with the conductor of the main strip resonator, and the metal conductor of the communication element of the additional strip resonator with the emitter has electrical contact with the conductor of the additional strip emitter, these metal conductors are immersed inside the emitter through holes made in a metal screen, strip wire the emitter’s receiver is made in the form having a ninety degree rotation symmetry relative to the axis perpendicular to the strip conductor and passing through its center, and the axis of the metal conductors of the communication elements of the main and additional strip resonators with the emitter are located at the same distance from the center of the strip conductor of the emitter, and the lines connecting the center of the strip conductor of the emitter with the axes of the metal conductors of the communication elements of the primary and secondary strip resonators with the emitter, form a right angle, the lateral shoulders of the quadrature power adder are connected to the conductors of the main and additional strip resonators at points located at the same distance from the ends of these conductors.
Возможен дополнительный вариант выполнения антенны-фильтра, в котором с целью уменьшения размеров основного и дополнительного полосковых резонаторов они выполнены с полосковыми проводниками, закороченными на одном конце, причем точки соединения боковых плеч квадратурного сумматора мощности с полосковыми проводниками основного и дополнительного полосковых резонаторов расположены на одинаковом расстоянии от закороченных концов упомянутых полосковых проводников.An additional embodiment of the antenna filter is possible, in which, in order to reduce the dimensions of the main and additional strip resonators, they are made with strip conductors shorted at one end, and the connection points of the side arms of the quadrature power adder with strip conductors of the main and additional strip resonators are located at the same distance from the shorted ends of said strip conductors.
На фиг.1 показан один из возможных вариантов выполнения антенны-фильтра, предназначенный для приема и передачи волн круговой поляризации. Антенна-фильтр содержит излучатель, выполненный в виде полоскового проводника (1), нанесенного на диэлектрическую подложку (2) излучателя. К нижней поверхности диэлектрической подложки (2) излучателя примыкает металлический экран (3). С другой стороны от поверхности металлического экрана (3) расположены основной и дополнительный полосковые резонаторы, выполненные в виде полуволновых отрезков полосковых линий с разомкнутыми концами. Отрезки полосковых линий имеют диэлектрические подложки (4), (5), на которых расположены полосковые проводники (6), (7) основного и дополнительного полосковых резонаторов. Основной и дополнительный полосковые резонаторы в качестве вторых проводников используют металлический экран (3). Основной и дополнительный полосковые резонаторы выполнены идентичными. Основной и дополнительный полосковые резонаторы связаны с излучателем посредством элементов связи. Элементы связи выполнены в виде идентичных металлических проводников (8) и (9), которые имеют электрический контакт с полосковыми проводниками (6) и (7). Металлические проводники погружены внутрь диэлектрической подложки (2) излучателя, а их оси ориентированы перпендикулярно металлическому экрану (3). Полосковые проводники (6) и (7) соединены с боковыми плечами (11), (12) квадратурного сумматора (10) мощности. При этом точки соединения полосковых проводников (6) и (7) с боковыми плечами (11), (12) квадратурного сумматора (10) мощности расположены на одинаковом расстоянии от концов полосковых проводников (6) и (7). Центральное плечо (13) квадратурного сумматора (10) мощности является выходом (входом) антенны-фильтра. Полосковый проводник (1) излучателя имеет форму геометрической фигуры, обладающей симметрией вращения относительно оси, перпендикулярной плоскости полоскового проводника (1) и проходящей через его центр. В частном случае, показанном на фиг.1, полосковый проводник (1) имеет квадратную форму. Металлические проводники (8) и (9) элементов связи расположены на одинаковом расстоянии от центра полоскового проводника (1) таким образом, что угол между линиями, соединяющими их оси с центром полоскового проводника (1), равен 90°.Figure 1 shows one of the possible embodiments of the antenna filter, designed to receive and transmit circularly polarized waves. The antenna filter contains an emitter made in the form of a strip conductor (1) deposited on a dielectric substrate (2) of the emitter. A metal screen (3) is adjacent to the lower surface of the dielectric substrate (2) of the emitter. On the other hand, from the surface of the metal screen (3), the main and additional strip resonators are arranged in the form of half-wave segments of strip lines with open ends. The segments of the strip lines have dielectric substrates (4), (5) on which the strip conductors (6), (7) of the primary and secondary strip resonators are located. The main and additional strip resonators use a metal screen as second conductors (3). The primary and secondary strip resonators are identical. The primary and secondary strip resonators are connected to the emitter by means of communication elements. Communication elements are made in the form of identical metal conductors (8) and (9), which have electrical contact with strip conductors (6) and (7). Metal conductors are immersed inside the dielectric substrate (2) of the emitter, and their axes are oriented perpendicular to the metal screen (3). Strip conductors (6) and (7) are connected to the side arms (11), (12) of the quadrature adder (10) of power. In this case, the connection points of the strip conductors (6) and (7) with the side arms (11), (12) of the quadrature power adder (10) are located at the same distance from the ends of the strip conductors (6) and (7). The central arm (13) of the quadrature power adder (10) is the output (input) of the antenna filter. The strip conductor of the emitter (1) has the shape of a geometric figure having rotation symmetry about an axis perpendicular to the plane of the strip conductor (1) and passing through its center. In the particular case shown in figure 1, the strip conductor (1) has a square shape. The metal conductors (8) and (9) of the coupling elements are located at the same distance from the center of the strip conductor (1) so that the angle between the lines connecting their axis with the center of the strip conductor (1) is 90 °.
Рассмотрим функционирование антенны-фильтра. Поскольку антенна-фильтр при условии взаимности квадратурного сумматора (10) мощности является взаимным устройством, то она одинаково работает как на прием, так и на передачу радиоволн. Удобнее рассматривать ее работу в передающем режиме.Consider the operation of the antenna filter. Since the antenna filter, provided that the quadrature power adder (10) is reciprocal, is a reciprocal device, it equally works both for receiving and transmitting radio waves. It is more convenient to consider its work in the transmitting mode.
Пусть на вход антенны-фильтра (13) поступает сигнал с частотой, значение которой находится в рабочей полосе частот антенны-фильтра. Этот сигнал делится на две равные части в боковых плечах (11), (12) квадратурного сумматора мощности (10). При этом разность фаз между сигналами в боковых плечах (11), (12) равна 90°. Эти сигналы возбуждают основной и дополнительный полосковые резонаторы.Let a signal with a frequency whose value is in the working frequency band of the antenna filter be fed to the input of the antenna filter (13). This signal is divided into two equal parts in the lateral arms (11), (12) of the quadrature power adder (10). In this case, the phase difference between the signals in the lateral arms (11), (12) is 90 °. These signals excite the primary and secondary strip resonators.
Излучатель, выполненный в виде полоскового проводника (1), имеет форму, обладающую симметрией поворота на 90°. Благодаря этому в излучателе существуют два ортогональных колебания, электромагнитные поля и электрические токи которых по амплитуде и фазе идентичны друг другу, но отличаются только поворотом на угол 90°. Будем называть их колебаниями a и b. Эти колебания имеют одинаковые резонансные частоты f0. На фиг.2 показана ориентация текущих по поверхности полоскового проводника (1) электрических токов 
Благодаря идентичности резонансных частот ортогональных колебаний a и b из них всегда можно получить два новых ортогональных колебания с одинаковыми резонансными частотами, равными f0. Их отличие от исходных колебаний состоит только в направлении электрических токов, которые повернуты относительно исходных токов на некоторый угол, как показано на фиг.3, а. Однако при этом токи новых колебаний по-прежнему текут в направлениях, перпендикулярных друг другу. Новые колебания являются линейной комбинацией колебаний a и b.Due to the identity of the resonant frequencies of the orthogonal oscillations a and b, two new orthogonal oscillations with the same resonant frequencies equal to f 0 can always be obtained from them. Their difference from the initial oscillations consists only in the direction of electric currents, which are rotated relative to the initial currents by a certain angle, as shown in figure 3, a. However, the currents of new oscillations still flow in directions perpendicular to each other. New oscillations are a linear combination of oscillations a and b.
Элементы связи основного и дополнительного полосковых резонаторов с излучателем, выполненные в виде металлических проводников (8) и (9), возбуждают в излучателе его собственные колебания. Каждый элемент связи возбуждает в излучателе такую линейную комбинацию собственных колебаний, что ее электрический ток течет вдоль линии, соединяющей центр полоскового проводника (1) О и точку А, в которой расположен элемент связи (см. фиг.3, б). По этой причине если элементы связи размещены таким образом, что линии, соединяющие центр полоскового проводника (1) с осями металлических проводников (8) и (9) элементов связи, образуют прямой угол, то электрические токи, которые возбуждают элементы связи в излучателе, также ортогональны.Communication elements of the main and additional strip resonators with the emitter, made in the form of metal conductors (8) and (9), excite its own vibrations in the emitter. Each communication element in the emitter excites such a linear combination of natural vibrations that its electric current flows along the line connecting the center of the strip conductor (1) O and point A, where the communication element is located (see Fig. 3, b). For this reason, if the communication elements are arranged in such a way that the lines connecting the center of the strip conductor (1) with the axes of the metal conductors (8) and (9) of the communication elements form a right angle, then the electric currents that excite the communication elements in the emitter also orthogonal.
С точки зрения функционирования антенны-фильтра направление, вдоль которого текут токи каждого колебания в излучателе, не имеет значения. Важно только, чтобы токи, возбуждаемые каждым из элементов связи, были ортогональны друг другу. Поэтому далее для простоты будем рассматривать размещение элементов связи, показанное на фиг.1. При таком их расположении один из элементов связи возбуждает колебание а, а другой колебание b.From the point of view of the functioning of the antenna filter, the direction along which the currents of each oscillation in the emitter flow does not matter. It is only important that the currents excited by each of the coupling elements are orthogonal to each other. Therefore, below, for simplicity, we will consider the arrangement of communication elements shown in FIG. With this arrangement, one of the coupling elements excites the vibration a, and the other vibration b.
Резонансные частоты основного и дополнительного полосковых резонаторов в отсутствие элементов связи с излучателем совпадают с частотой f0. В варианте, изображенном на фиг.1, полосковые проводники (6) и (7) не имеют контакта с металлическим экраном (3). Поэтому на их концах выполняются условия, близкие к условию холостого хода. Резонанс в резонаторе такого типа наступает при выполнении следующего условия:The resonant frequencies of the main and additional strip resonators in the absence of communication elements with the emitter coincide with the frequency f 0 . In the embodiment shown in FIG. 1, the strip conductors (6) and (7) do not have contact with the metal shield (3). Therefore, at their ends, conditions close to the idle condition are satisfied. Resonance in a resonator of this type occurs when the following condition is met:
где L - длина полоскового проводника (6) или (7), а ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала, на котором расположены полосковые проводники (6) и (7).where L is the length of the strip conductor (6) or (7), and ε is the relative dielectric constant of the material on which the strip conductors (6) and (7) are located.
Наличие электромагнитной связи приводит к формированию в излучателе и двух полосковых резонаторах двух независимых систем колебаний. Одна система образована за счет взаимодействия колебания основного или дополнительного полоскового резонатора и колебания а излучателя, а другая - за счет взаимодействия колебания дополнительного или основного полоскового резонатора и колебания b излучателя. Назовем их системами колебаний a и b.The presence of electromagnetic coupling leads to the formation of two independent oscillation systems in the emitter and two strip resonators. One system is formed due to the interaction of the oscillations of the main or additional strip resonator and the oscillation a of the emitter, and the other due to the interaction of the oscillations of the additional or main strip resonator and the oscillation b of the emitter. We call them oscillation systems a and b.
При возбуждении одного из полосковых резонаторов возбуждается одна из двух систем колебаний. Поэтому сигналы в боковых плечах квадратурного сумматора (10) мощности независимо возбудят разные системы колебаний. Поля и токи в системах колебаний a и b сдвинуты по фазе на 90° благодаря отмеченному выше сдвигу фаз между сигналами в боковых плечах квадратурного сумматора (10) мощности.When one of the strip resonators is excited, one of two oscillation systems is excited. Therefore, the signals in the lateral arms of the quadrature power adder (10) independently excite different oscillation systems. The fields and currents in the vibration systems a and b are 90 ° out of phase due to the phase shift noted above between the signals in the lateral arms of the quadrature power adder (10).
Электрические токи, текущие по поверхности полоскового проводника (1), излучают в свободное пространство. При этом токи ортогональных колебаний ориентированы в пространстве под углом 90° и имеют сдвиг фаз в 90°. Из теории антенн известно, что такие токи возбуждают в свободном пространстве волны круговой поляризации. Для описания поляризационных характеристик антенн вводят КЭ, который у идеальной антенны круговой поляризации равен единице. Поляризационные потери, обусловленные отличием поляризационных параметров реальной антенны от идеальных, однозначно связаны с КЭ.Electric currents flowing along the surface of the strip conductor (1) emit into free space. In this case, the currents of orthogonal oscillations are oriented in space at an angle of 90 ° and have a phase shift of 90 °. It is known from antenna theory that such currents excite circular polarized waves in free space. To describe the polarization characteristics of the antennas, a FE is introduced, which is equal to unity for an ideal circularly polarized antenna. The polarization losses due to the difference between the polarization parameters of the real antenna from the ideal ones are uniquely associated with FE.
Электрические токи систем колебаний a и b для оптимальной антенны круговой поляризации должны иметь одинаковую амплитуду и фазовый сдвиг, равный 90°. Фазовый сдвиг, как отмечалось выше, создается квадратурным сумматором (10) мощности. Идентичность амплитуд токов обеспечивается идентичностью каналов формирования систем колебаний a и b. С этой целью основной и дополнительный полосковые резонаторы, а также их элементы связи с излучателем выполнены идентичными. Таким образом достигается цель изобретения - уменьшение поляризационных потерь при приеме и передаче волн круговой поляризации.The electric currents of the oscillation systems a and b for the optimal circular polarized antenna should have the same amplitude and phase shift of 90 °. The phase shift, as noted above, is created by the quadrature power adder (10). The identity of the amplitudes of the currents is ensured by the identity of the channels of formation of the oscillation systems a and b. To this end, the primary and secondary strip resonators, as well as their elements of communication with the emitter, are made identical. Thus, the objective of the invention is achieved - the reduction of polarization losses in the reception and transmission of waves of circular polarization.
Далее рассмотрим формирование частотной характеристики антенны-фильтра. Под частотной характеристикой будем понимать зависимость ее КУ от частоты. В рассматриваемой антенне-фильтре поле излучения круговой поляризации создается путем сложения в свободном пространстве двух полей излучения с ортогональными линейными поляризациями. Одно из таких полей создается токами системы колебаний a, а другое - токами системы колебаний b. Поскольку, как было отмечено выше, каналы формирования указанных систем колебаний имеют близкие параметры, то нам достаточно рассмотреть, как формируется частотная характеристика в одном из них.Next, we consider the formation of the frequency response of the antenna filter. By the frequency response we mean the dependence of its QoS on the frequency. In the filter antenna under consideration, a circularly polarized radiation field is created by adding in the free space two radiation fields with orthogonal linear polarizations. One of these fields is created by the currents of the oscillation system a, and the other by the currents of the oscillation system b. Since, as noted above, the channels of formation of these oscillation systems have close parameters, it is enough for us to consider how the frequency response is formed in one of them.
В общем случае частотная зависимость КУ антенны определяется двумя факторами. Первый - это зависимость от частоты пространственного распределения токов излучения и второй - это зависимость от частоты амплитуды их возбуждения.In the general case, the frequency dependence of the antenna gain is determined by two factors. The first is a dependence on the frequency of the spatial distribution of radiation currents and the second is a dependence on the frequency of the amplitude of their excitation.
В рассматриваемой антенне-фильтре в свободное пространство должен излучать только сам излучатель. Излучение основного и дополнительного полосковых резонаторов, а также излучение других элементов устройства нежелательно и имеет характер паразитного эффекта. Для его уменьшения целесообразно выбирать расстояние между полосковыми проводниками (6) и (7) основного и дополнительного полосковых резонаторов и металлическим экраном (3) минимально возможным [Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. - М.: Радио и связь, 1986]. Кроме того, полезно закрыть полосковые резонаторы и квадратурный сумматор (10) мощности дополнительным экраном, исключающим связь указанных элементов со свободным пространством.In the filter antenna under consideration, only the emitter itself should emit into free space. The radiation of the main and additional strip resonators, as well as the radiation of other elements of the device is undesirable and has the character of a spurious effect. To reduce it, it is advisable to choose the distance between the strip conductors (6) and (7) of the main and additional strip resonators and the metal screen (3) as low as possible [Panchenko B.A., Nefedov E.I. Microstrip antennas. - M .: Radio and communications, 1986]. In addition, it is useful to close the strip resonators and the quadrature adder (10) of power with an additional screen, eliminating the connection of these elements with free space.
Таким образом, при правильном выборе параметров антенны-фильтра излучение в свободное пространство происходит исключительно благодаря токам, текущим по полосковому проводнику (1) излучателя. Известно, что полосковые излучатели имеют размеры, приблизительно равные половине длины волны в диэлектрической подложке (2), которая при использовании диэлектриков с проницаемостью больше 10 существенно меньше половины длины волны в свободном пространстве. Поэтому такие излучатели относятся к классу малоразмерных излучателей. Распределение токов в них слабо зависит от частоты, а диаграмма направленности излучения близка к диаграмме направленности элементарного излучателя: электрического или магнитного диполя.Thus, with the right choice of antenna filter parameters, radiation into free space occurs solely due to currents flowing through the strip conductor (1) of the emitter. It is known that strip emitters have dimensions approximately equal to half the wavelength in the dielectric substrate (2), which when using dielectrics with a permeability greater than 10 is substantially less than half the wavelength in free space. Therefore, such emitters belong to the class of small-sized emitters. The current distribution in them weakly depends on the frequency, and the radiation pattern is close to the radiation pattern of an elementary emitter: an electric or magnetic dipole.
Поэтому частотная зависимость пространственного распределения излучающих токов не оказывает существенного влияния на формирование частотной зависимости КУ антенны-фильтра. Основным фактором является частотная зависимость амплитуды возбуждения токов излучения.Therefore, the frequency dependence of the spatial distribution of radiating currents does not significantly affect the formation of the frequency dependence of the KU of the antenna filter. The main factor is the frequency dependence of the amplitude of the excitation of radiation currents.
Пусть на вход (13) антенны-фильтра поступает сигнал с частотой, значение которой близко к рабочей полосе частот антенны-фильтра. Этот сигнал разделяется на две равные части в квадратурном сумматоре (10) мощности. Сигналы с боковых плеч (11) и (12) квадратурного сумматора (10) мощности возбуждают системы связанных колебаний a и b. Для объяснения частотной зависимости амплитуды возбуждения токов излучения рассмотрим одну из систем колебаний. Она состоит из двух колебаний, которые имеют разные резонансные частоты f1,2. Частотный интервал Δf=f2-f1 определяется степенью связи между полосковым резонатором и излучателем. Уровень указанной связи задается глубиной погружения металлических проводников (8) и (9) в диэлектрическую подложку (2) излучателя. Чем больше глубина погружения, тем больше частотный интервал Δf.Let a signal with a frequency whose value is close to the working frequency band of the antenna filter be received at the input (13) of the antenna filter. This signal is divided into two equal parts in the quadrature adder (10) power. The signals from the side arms (11) and (12) of the quadrature power adder (10) excite the coupled oscillation systems a and b. To explain the frequency dependence of the amplitude of the excitation of radiation currents, we consider one of the oscillation systems. It consists of two oscillations that have different resonant frequencies f 1,2 . The frequency interval Δf = f 2 -f 1 is determined by the degree of coupling between the strip resonator and the emitter. The level of this connection is set by the immersion depth of the metal conductors (8) and (9) in the dielectric substrate (2) of the emitter. The greater the immersion depth, the larger the frequency interval Δf.
На фиг.4 показаны расчетные зависимости амплитуд колебаний от частоты. Кривая (14) соответствует колебанию с резонансной частотой f1, а кривая (15) - колебанию с резонансной частотой f2. Кривая (16) соответствует амплитуде суммарного поля, являющегося суперпозицией полей двух собственных колебаний. Из фиг.4 видно, что зависимость от частоты результирующего поля в системе двух связанных резонаторов, а следовательно, и амплитуда излучающих токов имеет форму, более близкую к прямоугольной, чем в случае одиночного колебания. Таким образом достигается цель изобретения - повышение прямоугольности частотной зависимости КУ антенны-фильтра.Figure 4 shows the calculated dependence of the amplitudes of the oscillations on the frequency. Curve (14) corresponds to an oscillation with a resonant frequency f 1 , and curve (15) corresponds to an oscillation with a resonant frequency f 2 . Curve (16) corresponds to the amplitude of the total field, which is a superposition of the fields of two natural vibrations. Figure 4 shows that the dependence on the frequency of the resulting field in the system of two coupled resonators, and therefore the amplitude of the emitting currents, has a shape closer to rectangular than in the case of a single oscillation. Thus, the objective of the invention is achieved - increasing the squareness of the frequency dependence of the KU of the antenna filter.
Вариант выполнения антенны-фильтра с основным и дополнительным полосковыми резонаторами с уменьшенными размерами показан на фиг.5. Он отличается тем, что полосковые проводники (6) и (7) основного и дополнительного полоскового резонаторов соединены с металлическим экраном (3) перемычками (17). В резонаторе такого типа на одном конце выполняются условия холостого хода, а на другом - короткого замыкания. Благодаря этому условие резонанса принимает следующий вид:An embodiment of an antenna filter with a primary and secondary strip resonators with reduced dimensions is shown in FIG. It differs in that the strip conductors (6) and (7) of the main and additional strip resonators are connected to the metal screen (3) by jumpers (17). In a resonator of this type, the idle conditions are satisfied at one end and a short circuit at the other. Due to this, the resonance condition takes the following form:
Из соотношения (2) видно, что в рассматриваемом варианте выполнения антенны-фильтра длина полосковых проводников (6) и (7) может быть уменьшена вдвое по сравнению с рассмотренным выше случаем (см. формулу (1)). Уменьшение размеров полосковых резонаторов облегчает задачу их размещения в пределах области, ограниченной металлическим экраном (3), без увеличения общих габаритных размеров антенны-фильтра.From relation (2) it can be seen that in the considered embodiment of the antenna filter, the length of the strip conductors (6) and (7) can be halved compared to the case considered above (see formula (1)). Reducing the size of strip resonators makes it easier to place them within the area bounded by a metal screen (3), without increasing the overall overall dimensions of the antenna filter.
Квадратурный сумматор (10) мощности может быть выполнен различным образом, например в виде полоскового реактивного делителя на два канала, который показан на фиг.6, или в виде полоскового делителя мощности с балансным сопротивлением (см. фиг.7). Последний выгодно отличается от реактивного делителя согласованием и развязкой боковых плеч, что исключает взаимное влияние систем колебаний a и b друг на друга. Однако в полосковом исполнении такие делители имеют большие габаритные размеры, обусловленные присутствием в конструкции делителя четвертьволновых отрезков линий передачи. Поэтому на практике часто используют делители мощности в виде навесных микросхем, которые имеют согласованные и развязанные входы и весьма малые габариты. Центральное плечо (13) и боковые плечи (11) и (12) в вариантах, показанных на фиг.6, 7, выполняются в виде микрополосковых линий передачи. Фазовый сдвиг сигналов в боковых плечах достигается за счет выполнения микрополосковых линий передачи в боковых плечах (11) и (12) с длиной, отличающейся на четверть длины волны в микрополосковой линии передачи.The quadrature power adder (10) can be made in various ways, for example, in the form of a strip reactive divider into two channels, which is shown in Fig.6, or in the form of a strip power divider with balanced resistance (see Fig.7). The latter compares favorably with the jet divider by matching and decoupling the side arms, which eliminates the mutual influence of the vibration systems a and b on each other. However, in strip design, such dividers have large overall dimensions, due to the presence of quarter-wave segments of transmission lines in the divider design. Therefore, in practice, power dividers are often used in the form of mounted microcircuits, which have coordinated and decoupled inputs and very small dimensions. The central shoulder (13) and side shoulders (11) and (12) in the variants shown in Fig.6, 7 are made in the form of microstrip transmission lines. The phase shift of the signals in the lateral arms is achieved by performing microstrip transmission lines in the lateral arms (11) and (12) with a length different by a quarter of the wavelength in the microstrip transmission line.
Квадратурный сумматор (10) мощности в антенне-фильтре, работающей на прием, может быть выполнен в виде реактивного делителя мощности, показанного на фиг.6, в боковые плечи которого включены малошумящие усилители. Наличие усилителей обеспечивает развязку боковых плеч устройства и независимое функционирование двух систем колебаний.The quadrature power adder (10) in the receiving antenna filter can be made in the form of a reactive power divider, shown in Fig.6, in the lateral shoulders of which low-noise amplifiers are included. The presence of amplifiers ensures the isolation of the side shoulders of the device and the independent functioning of two oscillation systems.
На фиг.8, 9, 10 представлены экспериментальные характеристики антенны-фильтра с квадратурным сумматором (10) мощности в виде балансного полоскового делителя. На фиг.8 показана частотная зависимость коэффициента отражения, а на фиг.9 - частотная зависимость КУ, а на фиг.10 - частотная зависимость КЭ.On Fig, 9, 10 presents the experimental characteristics of the antenna filter with a quadrature adder (10) power in the form of a balanced strip divider. In Fig.8 shows the frequency dependence of the reflection coefficient, and Fig.9 is the frequency dependence of KU, and in Fig.10 is the frequency dependence of the FE.
Кривая (18) на фиг.9 показывает частотную зависимость одиночного полоскового излучателя, а кривая (19) - антенны-фильтра. Видно, что применение антенны-фильтра позволяет приблизить частотную характеристику антенны к типичному для двухзвенных фильтров виду. Благодаря этому достигается цель изобретения - повышение прямоугольности частотной характеристики. Из фиг.10 видно, что КЭ в широкой полосе частот близок к единице (нулю в децибелах).Curve (18) in Fig. 9 shows the frequency dependence of a single strip emitter, and curve (19) shows a filter antenna. It can be seen that the use of an antenna filter makes it possible to approximate the frequency response of the antenna to the typical form for two-link filters. Due to this, the goal of the invention is achieved - increasing the squareness of the frequency response. From figure 10 it is seen that the FE in a wide frequency band is close to unity (zero in decibels).
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed invention:
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, предназначено для использования в промышленности, а именно в технике антенн, например в качестве приемной антенны устройства спутниковой навигации;- an antenna device embodying the claimed invention is intended for use in industry, namely in antenna technology, for example, as a receiving antenna of a satellite navigation device;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;- for the claimed device in the form described in the independent clause of the claims, the possibility of its implementation using the means described in the application is confirmed;
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, позволяет реализовать следующий технический результат: получить частотную характеристику повышенной степени прямоугольности, что избавляет от необходимости применения дополнительных элементов приемопередающего тракта в виде полосовых фильтров и таким образом снижает стоимость и повышает технологичность радиоэлектронных систем, также антенное устройство позволяет снизить поляризационные потери при приеме и передаче волн круговой поляризации, которые используются в различных радиоэлектронных системах.- the antenna device embodying the claimed invention allows to realize the following technical result: to obtain a frequency response of an increased degree of squareness, which eliminates the need for additional elements of the transceiver path in the form of band-pass filters and thus reduces the cost and improves the manufacturability of electronic systems, also the antenna device allows to reduce polarization losses in the reception and transmission of circular polarized waves, which are used in different radio electronic systems.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011105072/07A RU2448396C1 (en) | 2011-02-11 | 2011-02-11 | Antenna-filter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011105072/07A RU2448396C1 (en) | 2011-02-11 | 2011-02-11 | Antenna-filter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2448396C1 true RU2448396C1 (en) | 2012-04-20 |
Family
ID=46032732
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011105072/07A RU2448396C1 (en) | 2011-02-11 | 2011-02-11 | Antenna-filter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2448396C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2667340C1 (en) * | 2017-09-11 | 2018-09-18 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Microstrip antenna |
| CN113348591A (en) * | 2018-10-30 | 2021-09-03 | 株式会社Kmw | Antenna device |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1401530A1 (en) * | 1986-08-12 | 1988-06-07 | Уральский политехнический институт им.С.М.Кирова | Microstrip active aerial |
| WO1996027219A1 (en) * | 1995-02-27 | 1996-09-06 | The Chinese University Of Hong Kong | Meandering inverted-f antenna |
| RU2075803C1 (en) * | 1993-12-22 | 1997-03-20 | Военная академия связи | Log-periodic resonant aerial |
| WO2003012919A1 (en) * | 2001-07-26 | 2003-02-13 | E-Tenna Corporation | Reduced weight artificial dielectric antennas |
| WO2004027920A2 (en) * | 2002-09-19 | 2004-04-01 | Topcon Gps Llc | Antenna structures for reducing the effects of multipath radio signals |
| EP1670091A1 (en) * | 2003-09-30 | 2006-06-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Dielectric resonator, oscillator and transmitter/receiver |
-
2011
- 2011-02-11 RU RU2011105072/07A patent/RU2448396C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1401530A1 (en) * | 1986-08-12 | 1988-06-07 | Уральский политехнический институт им.С.М.Кирова | Microstrip active aerial |
| RU2075803C1 (en) * | 1993-12-22 | 1997-03-20 | Военная академия связи | Log-periodic resonant aerial |
| WO1996027219A1 (en) * | 1995-02-27 | 1996-09-06 | The Chinese University Of Hong Kong | Meandering inverted-f antenna |
| WO2003012919A1 (en) * | 2001-07-26 | 2003-02-13 | E-Tenna Corporation | Reduced weight artificial dielectric antennas |
| WO2004027920A2 (en) * | 2002-09-19 | 2004-04-01 | Topcon Gps Llc | Antenna structures for reducing the effects of multipath radio signals |
| EP1670091A1 (en) * | 2003-09-30 | 2006-06-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Dielectric resonator, oscillator and transmitter/receiver |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2667340C1 (en) * | 2017-09-11 | 2018-09-18 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Microstrip antenna |
| CN113348591A (en) * | 2018-10-30 | 2021-09-03 | 株式会社Kmw | Antenna device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hu et al. | A compact quasi-isotropic dielectric resonator antenna with filtering response | |
| US5608413A (en) | Frequency-selective antenna with different signal polarizations | |
| CN111937237B (en) | Single-polarization and dual-polarization dual-resonant back-cavity slot antenna (D-CBSA) element | |
| US9806423B2 (en) | Capacitively coupled patch antenna | |
| US6218990B1 (en) | Radiocommunication device and a dual-frequency microstrip antenna | |
| CN107895846B (en) | Circular polarization patch antenna with broadband | |
| US6166692A (en) | Planar single feed circularly polarized microstrip antenna with enhanced bandwidth | |
| US11539142B2 (en) | Capacitively coupled patch antenna | |
| US10923824B2 (en) | Capacitively coupled patch antenna | |
| US9325071B2 (en) | Patch antenna | |
| CN109155467B (en) | Antenna device | |
| JP3234393B2 (en) | Antenna device | |
| Lim et al. | Novel application of the hollow dielectric resonator antenna as a packaging cover | |
| US10950944B2 (en) | Capacitively coupled patch antenna | |
| RU2448396C1 (en) | Antenna-filter | |
| Mohammed et al. | Review of feeding techniques for microstrip patch antenna | |
| JP2000244231A (en) | Micro-strip antenna and method for adjusting its resonance frequency | |
| GB2223130A (en) | Microstrip patch antenna | |
| RU2400880C1 (en) | Printed antenna | |
| CN209896248U (en) | Double-frequency microstrip patch antenna | |
| Palson et al. | Circularly polarized square patch antenna with improved axial ratio bandwidth | |
| CN111900536A (en) | Microstrip antenna with laminated structure | |
| JP2002033617A (en) | Feeder system | |
| Fairouz et al. | A retrodirective array with reduced surface waves for wireless power transfer applications | |
| US10418706B1 (en) | Circular polarized microstrip antenna using a single feed |