RU153918U1

RU153918U1 - STRIP ANTENNA WITH DOUBLE ELLIPTIC POLARIZATION

Info

Publication number: RU153918U1
Application number: RU2014140652/28U
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Перов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "СибИС" (ООО "СибИС")
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2015-08-10

Abstract

Полосковая антенна двойной эллиптической поляризации, выполненная в виде металлической пластины, размещенной над проводящей поверхностью, с подключенными к ней возбуждающими элементами, отличающаяся тем, что пластина имеет прямоугольную форму, два возбуждающих элемента подключены к ней по разным диагоналям, причем первый элемент предназначен для возбуждения колебаний с одним направлением вращения эллиптической поляризации, второй элемент предназначен для приема излучения с противоположным направлением вращения эллиптической поляризации, металлическая пластина и возбуждающие элементы предназначены для передачи части мощности между возбуждающими элементами посредством электродинамической связи между ними через металлическую пластину.Strip antenna of double elliptical polarization, made in the form of a metal plate located above the conductive surface, with exciting elements connected to it, characterized in that the plate has a rectangular shape, two exciting elements are connected to it along different diagonals, the first element being designed to excite vibrations with one direction of rotation of the elliptical polarization, the second element is designed to receive radiation with the opposite direction of rotation of the elliptical field They are used to transfer part of the power between the exciting elements through electrodynamic coupling between them through the metal plate.

Description

Полосковая антенна с двойной эллиптической поляризациейDual elliptical polarized strip antenna

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве двухвходовой антенны интегрального локатора малой дистанции (ЛМД) с гетеродинным приемопередатчиком.The utility model relates to antenna technology and can be used as a two-input antenna of a short range integrated locator (LMD) with a heterodyne transceiver.

Для функционирования интегрального ЛМД с гетеродинным приемопередатчиком необходима малогабаритная двухвходовая приемопередающая антенна, конструкция которой обеспечивает встречно направленные эллиптические поляризации излучений при наличии электродинамической связи между входами.For the operation of an integrated LMD with a heterodyne transceiver, a small two-input transceiver antenna is required, the design of which provides counter-directional elliptical polarization of radiation in the presence of an electrodynamic coupling between the inputs.

Целью предлагаемого технического решения является обеспечение возможности поляризационной селекции сигналов ЛМД с приемопередатчиком гетеродинного типа при встречно направленной эллиптической поляризации излучений антенны, включая отраженное от обнаруживаемого объекта, за счет конструкции двухвходовой полосковой антенны с электродинамической связью между входами и двумя соответствующими им диаграммами направленности излучения встречных эллиптических поляризаций, симметричных относительно продольной оси антенны.The aim of the proposed technical solution is to enable the polarization selection of LMD signals with a heterodyne type transceiver in the opposite direction of the elliptical polarization of the radiation of the antenna, including reflected from the detected object, due to the construction of a two-input strip antenna with electrodynamic coupling between the inputs and two corresponding radiation patterns of the oncoming elliptical polarizations symmetrical about the longitudinal axis of the antenna.

Для большинства применений локаторов и систем связи важно обеспечить низкий уровень связей между входами передатчика и приемника устройства, содержащего двухвходовую антенну с различными поляризациями излучения. Однако в случае интегрального ЛМД с приемопередатчиком гетеродинного типа этот уровень должен быть достаточно высоким с тем, чтобы обеспечить передачу части мощности от передатчика на вход приемника, за счет коэффициента передачи S21 между входами полосковой антенны.For most applications of locators and communication systems, it is important to ensure a low level of communication between the inputs of the transmitter and receiver of a device containing a two-input antenna with different polarizations of radiation. However, in the case of an integrated LMD with a heterodyne-type transceiver, this level should be high enough to ensure that part of the power is transmitted from the transmitter to the receiver input, due to the transmission coefficient S21 between the inputs of the strip antenna.

Данная цель достигается, например, при помощи двух отдельных антенн с разными направлениями вращения поляризации излучения и специального устройства, ответвляющего часть мощности передатчика ЛМД и суммирующего ее с мощностью приемной антенны на входе приемника. Поперечный размер каждой отдельной антенны определяется размером экрана, а в полный поперечник системы двух антенн входит еще расстояние между экранами, которое должно быть достаточно большим, чтобы предотвратить взаимное влияние антенн друг на друга и, тем самым, обеспечить симметрию диаграммы излучения каждой антенны относительно оси «ЛМД-цель». Однако габариты системы двух отдельных антенн недопустимо велики для некоторых практических целей применения ЛМД.This goal is achieved, for example, by using two separate antennas with different directions of rotation of the radiation polarization and a special device that branches off part of the power of the LMD transmitter and summarizes it with the power of the receiving antenna at the receiver input. The transverse size of each individual antenna is determined by the size of the screen, and the full diameter of the system of two antennas also includes the distance between the screens, which should be large enough to prevent the mutual influence of the antennas on each other and, thereby, ensure the symmetry of the radiation pattern of each antenna relative to the axis LMD target. ” However, the dimensions of the system of two separate antennas are unacceptably large for some practical purposes of using LMD.

Применение сдвоенной антенны [1] с размещением двух излучателей с противоположными направлениями вращения эллиптической поляризации над одним экраном решает задачу уменьшения поперечных габаритов антенны ЛМД и реализует передачу части мощности от выхода передатчика к входу приемника посредством электродинамической связи между смежными излучателями. Однако такое техническое решение имеет существенный недостаток. Каждый излучатель сдвоенной антенны смещен относительно центра экрана и, соответственно, относительно оси «ЛМД-цель», так как оба излучателя не могут одновременно физически располагаться на одной линии. Это приводит к асимметрии диаграмм излучения каждого излучателя относительно оси и приводит к уменьшению действующих коэффициентов усиления антенны для каждой поляризации в направлении цели.The use of a dual antenna [1] with the placement of two emitters with opposite directions of rotation of elliptical polarization above one screen solves the problem of reducing the transverse dimensions of the LMD antenna and implements the transfer of part of the power from the output of the transmitter to the input of the receiver by means of electrodynamic coupling between adjacent emitters. However, this technical solution has a significant drawback. Each emitter of a dual antenna is offset relative to the center of the screen and, accordingly, relative to the axis of the “LMD-target", since both emitters cannot simultaneously be physically located on the same line. This leads to an asymmetry of the radiation patterns of each emitter relative to the axis and leads to a decrease in the effective antenna gain for each polarization in the direction of the target.

Полосковые антенны с линейной поляризацией излучения, имеющие несколько входов известны давно [2] и широко применяются для решения самых разнообразных задач. Полосковые антенны с круговой (эллиптической) поляризацией с несколькими точками подключения линий передачи рассмотрены подробно в [3]. Задача возбуждения в полосковой антенне ортогональных колебаний с требуемыми амплитудно-фазовыми соотношениями решается путем использования специальных схем питания.Striped antennas with linear polarization of radiation having multiple inputs have been known for a long time [2] and are widely used to solve a wide variety of problems. Strip antennas with circular (elliptical) polarization with several points for connecting transmission lines are considered in detail in [3]. The excitation problem in a strip antenna of orthogonal oscillations with the required amplitude-phase relationships is solved by using special power circuits.

Как правило, схема питания состоит из многоканального делителя мощности и элемента возбуждения. Количество элементов возбуждения может меняться от одного до четырех. Однако в выше указанной работе рассматриваются антенны либо с двойной линейной поляризацией излучения, либо лишь с одним направлением вращения круговой поляризации.Typically, the power circuit consists of a multi-channel power divider and an excitation element. The number of excitation elements can vary from one to four. However, in the aforementioned work, antennas with either double linear polarization of radiation or with only one direction of rotation of circular polarization are considered.

Особый интерес представляет случай точки подключения на диагонали квадратного излучателя с коротко замыкающими штырями, расположенными на центральных линиях квадрата [4]. Эта антенна может излучать х- или у-ориентированные линейные поляризации, а также право- или левовращающиеся поляризации в зависимости от расположения пар коротко замыкающих штырей. Однако, данная конструкция не позволяет создать излучение с двумя противоположно направленными эллиптическими поляризациями одновременно.Of particular interest is the case of a connection point on the diagonal of a square radiator with short-circuiting pins located on the center lines of the square [4]. This antenna can emit x- or y-oriented linear polarizations, as well as right- or left-handed polarizations, depending on the location of the pairs of short-circuit pins. However, this design does not allow the creation of radiation with two oppositely directed elliptical polarizations at the same time.

Патент США №4737793А [5] описывает полосковую антенну с двойной поляризацией, способную передавать волны с взаимно ортогональными линейными поляризациями, включая круговую поляризацию по часовой стрелке или против часовой стрелки. Конструкция включает в себя двойной управляемый делитель мощности связан с электрически управляемым фазовращателем, который питает антенну с двумя входами и двумя возможными поляризациями излучения. Различные виды поляризации излучения (линейные, круговые или эллиптические) реализуются управлением делителя мощности и фазовращателя. Однако данная конструкция содержит дополнительные управляемые элементы, такие как делитель мощности, фазовращатель и не позволяет реализовать одновременно две эллиптические поляризации излучения с противоположным направлением вращения соответствующие питанию от двух отдельных линий передачи.US patent No. 4737793A [5] describes a strip antenna with double polarization, capable of transmitting waves with mutually orthogonal linear polarizations, including circular polarization clockwise or counterclockwise. The design includes a dual controllable power divider connected to an electrically controllable phase shifter that powers an antenna with two inputs and two possible radiation polarizations. Different types of radiation polarization (linear, circular or elliptical) are implemented by the control of a power divider and a phase shifter. However, this design contains additional controllable elements, such as a power divider, a phase shifter, and does not simultaneously realize two elliptical polarizations of radiation with the opposite direction of rotation corresponding to the power supply from two separate transmission lines.

Микрополосковая антенна круговой поляризации [6] представляет собой многослойную конструкцию, включающую сложную систему возбуждения со щелями, позволяющими реализовать круговую поляризацию излучения, но лишь с одним выбранным направлением вращения. Эта конструкция не позволяет реализовать двухвходовую антенну с противоположными круговыми поляризациями.A circular polarization microstrip antenna [6] is a multilayer structure that includes a complex excitation system with slots that allow circular polarization of radiation to be realized, but with only one direction of rotation selected. This design does not allow the implementation of a two-input antenna with opposite circular polarizations.

В патенте России на полезную модель №118474 [7] приведена конструкция широкополосной полосковой антенны с двойной поляризацией, имеющей два входа. Однако данная конструкция позволяет возбудить лишь линейные ортогональные поляризации излучения.In the Russian patent for utility model No. 118474 [7], the design of a broadband dual-polarized strip antenna with two inputs is given. However, this design allows only linear orthogonal polarizations of the radiation to be excited.

Наиболее близкой по технической сути и назначению является конструкция планарной антенны двойной поляризации [8] (Патент России №2276822. 2006. Бюл. №14), выполненная в виде квадратной металлической пластины, размещенной над проводящей поверхностью, выполняющей роль экрана, с подключенными к ней попарно возбуждающими элементами, причем длина диагонали квадратной металлической пластины равна длине волны излучения, а противофазные возбуждающие элементы ортогональных линейных поляризаций подключены к металлической пластине попарно симметрично по ее ортогональным диагоналям.The closest in technical essence and purpose is the design of a planar antenna of double polarization [8] (Russian Patent No. 2276822. 2006. Bull. No. 14), made in the form of a square metal plate placed above a conductive surface acting as a screen with connected to it pairwise exciting elements, the diagonal length of the square metal plate being equal to the radiation wavelength, and the antiphase exciting elements of orthogonal linear polarizations connected to the metal plate pairwise symmetrical about her orthogonal diagonals.

Для решения поставленной задачи предлагается полосковая антенна двойной поляризации, выполненная в виде металлической пластины, размещенной над проводящей поверхностью с возбуждающими элементами, подключенными к ней по диагоналям, отличающаяся тем, что металлическая пластина имеет прямоугольную форму, два возбуждающих элемента подключены к ней по разным диагоналям, что обеспечивает электродинамическую связь между ними, причем первый элемент предназначен для возбуждения колебаний с одним направлением вращения эллиптической поляризации, второй элемент предназначен для приема излучения с противоположным направлением вращения эллиптической поляризации при возбуждении от разных линий передачи.To solve this problem, a double polarized strip antenna is proposed, made in the form of a metal plate located above the conductive surface with exciting elements connected diagonally to it, characterized in that the metal plate has a rectangular shape, two exciting elements are connected to it in different diagonals, which provides an electrodynamic connection between them, and the first element is designed to excite oscillations with one direction of rotation of the elliptical polar ation, the second element is designed to receive radiation with an opposite direction of rotation of elliptical polarization when excited from different transmission lines.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности поляризационной селекции сигналов излучаемых антенной и принимаемых ею от обнаруживаемого объекта при наличии электродинамической связи между входами антенны через излучатель и при встречной эллиптической поляризации излучений за счет выполнения полоскового излучателя прямоугольной формы и расположения двух входов антенны на разных диагоналях.The technical result of the proposed utility model is the possibility of polarization selection of the signals emitted by the antenna and received by it from the detected object in the presence of electrodynamic coupling between the antenna inputs through the emitter and with counter-elliptical polarization of radiation due to the implementation of a rectangular strip emitter and the location of the two antenna inputs on different diagonals.

Конструкция антенны обеспечивает электродинамическую связь между входами и возбуждение излучений эллиптической поляризации симметричных относительно продольной оси антенны и вращающихся в противоположном направлении относительно друг друга при питании от линий передачи, соединяющих антенну с гетеродинным приемником и передатчиком локатора.The antenna design provides electrodynamic coupling between the inputs and excitation of radiation of elliptical polarization symmetric about the longitudinal axis of the antenna and rotating in the opposite direction relative to each other when powered by transmission lines connecting the antenna to the local oscillator receiver and transmitter of the locator.

Пример осуществления изобретения приведен на фиг. 1.An example embodiment of the invention is shown in FIG. one.

Цифрами обозначены:The numbers indicate:

1 - полосковый излучатель;1 - strip emitter;

2 - диэлектрическая подложка;2 - dielectric substrate;

3 - цилиндрический экран;3 - a cylindrical screen;

4, 6 - проводники, соединяющие точки подключения на излучателе с входами приемопередатчика;4, 6 - conductors connecting the connection points on the emitter with the inputs of the transceiver;

5 - заземляющий проводник соединяющий центр излучателя с проводящей плоскостью.5 - grounding conductor connecting the center of the emitter with a conducting plane.

Излучатель антенны заземлен по его центру, чтобы не нарушить его функционирование. Расстояние от точек подключения до центра излучателя определяет качество согласования полоскового резонатора с линиями передачи.The antenna emitter is grounded at its center so as not to interfere with its functioning. The distance from the connection points to the center of the emitter determines the quality of matching the strip resonator with the transmission lines.

На фиг. 2, 3 и 4, 5 показаны расчетные диаграммы направленности антенны для лево- и правовращающихся составляющих излучения эллиптических поляризаций, возбуждаемых через элементы, подключенные к входам передатчика и приемника, соответственно. Соотношение между коэффициентами усиления для лево- и правовращающихся составляющих достигает 20 дБ и -20 дБ для эллиптических поляризаций излучения, соответствующих элементам возбуждения антенны. Следовательно, обеспечивается возможность поляризационной селекции сигналов, принимаемых от обнаруживаемых объектов.In FIG. Figures 2, 3 and 4, 5 show the calculated antenna patterns for the left- and right-rotating components of the radiation of elliptical polarizations excited through elements connected to the inputs of the transmitter and receiver, respectively. The ratio between the gains for the left- and right-handed components reaches 20 dB and -20 dB for elliptical polarizations of the radiation corresponding to the antenna excitation elements. Therefore, it is possible to polarize the selection of signals received from detected objects.

На фиг. 6 показана расчетная частотная зависимость коэффициента отражения для каждого из двух симметричных элементов возбуждения антенны. Удовлетворительное согласование антенны со стандартными линиями передачи волновым сопротивлением 50 Ом достигается в полосе частот шириной 3 ГГц.In FIG. Figure 6 shows the calculated frequency dependence of the reflection coefficient for each of two symmetric antenna excitation elements. Satisfactory matching of the antenna with standard transmission lines with a wave impedance of 50 Ohms is achieved in a frequency band with a width of 3 GHz.

Предлагаемая конструкция антенны имеет коэффициент передачи между портами равный 5 дБ в диапазоне частот 10-13 ГГц, что показано на фиг. 7 в виде расчетной частотной зависимости S21(f). Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает эффективную связь между портами в широкой полосе частот через двухвходовый излучатель без применения дополнительных СВЧ элементов.The proposed antenna design has a transfer coefficient between ports of 5 dB in the frequency range 10-13 GHz, as shown in FIG. 7 in the form of a calculated frequency dependence S21 (f). Thus, the proposed technical solution provides effective communication between ports in a wide frequency band through a two-input radiator without the use of additional microwave elements.

Предлагаемая конструкция антенны обеспечивает возможность поляризационной селекции сигналов при встречно направленной эллиптической поляризации излучаемого и принимаемого от обнаруживаемых объектов излучений, и передаче части мощности передатчика на вход приемника в качестве сигнала гетеродина.The proposed antenna design makes it possible to polarize signal selection with counter-directional elliptical polarization of the radiated and received radiation from the detected objects, and the transmission of part of the transmitter power to the receiver input as a local oscillator signal.

Источники информацииInformation sources

1. Перов В.В. Антенны интегрального СВЧ локатора малой дистанции. // Электронная техника. Серия 1. СВЧ-техника. 2014, Вып. 2 (в печати).1. Perov V.V. Antenna integrated microwave short-range locator. // Electronic equipment. Series 1. Microwave technology. 2014, Vol. 2 (in print).

2. R. Munson. Conformal microstrip antennas and microstrip phased arrays. IEEE Transactions on antennas and Propagation. 1974, Vol. AP - 22, No 1.2. R. Munson. Conformal microstrip antennas and microstrip phased arrays. IEEE Transactions on antennas and Propagation. 1974, Vol. AP - 22, No. 1.

3. Банков С.E., Давыдов А.Г., Папилов К.Б. Сопоставление печатных антенн круговой поляризации с разными схемами питания [Электронный ресурс] // Журнал радиоэлектроники. 2010. №3. URL: http://jre.cplire.ru/jre/mar10/2/text.html3. Banks S.E., Davydov A.G., Papilov K.B. Comparison of printed circular polarized antennas with different power circuits [Electronic resource] // Journal of Radioelectronics. 2010. No3. URL: http://jre.cplire.ru/jre/mar10/2/text.html

4. Daniel Н. Schaubert, Frederick G. Farrar, Arthur Sindoris, Scott T. 4. Daniel N. Schaubert, Frederick G. Farrar, Arthur Sindoris, Scott T.

Hayes/Microstrip Antennas with Frequency Agility and Polarization Diversity // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-29, 1981, N 1, January, pp. 118-123Hayes / Microstrip Antennas with Frequency Agility and Polarization Diversity // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-29, 1981, N 1, January, pp. 118-123

5. Munson Robert E.; Sreenivasiah Ippalapalli. Radiofrequency antenna with controllably variable dual orthogonal polarization. // Патент США №US 4737793 (А). Дата публикации 12.04. 1988.5. Munson Robert E .; Sreenivasiah Ippalapalli. Radiofrequency antenna with controllably variable dual orthogonal polarization. // US patent No. US 4737793 (A). Publication date 12.04. 1988.

6. Пастухов Н.А. Микрополосковая антенна круговой поляризации // Патент России №2251768. 2004. Бюл. №13.6. Pastukhov N.A. Microstrip circular polarized antenna // Patent of Russia №2251768. 2004. Bull. No. 13.

7. Сычугов С.Г. Широкополосная полосковая антенна с двойной поляризацией // Патент России на полезную модель №118474. Дата публикации 20.07.2012.7. Sychugov S.G. Broadband dual-polarized strip antenna // Patent of Russia for utility model No. 118474. Date of publication 20.07.2012.

8. Андреев В.Ф., и др. Планарная антенна двойной поляризации // Патент России №2276822. 2006. Бюл. №14.8. Andreev V.F. et al. Planar antenna of double polarization // Russian Patent No. 2276822. 2006. Bull. Number 14.

Claims

Strip antenna of double elliptical polarization, made in the form of a metal plate located above the conductive surface, with exciting elements connected to it, characterized in that the plate has a rectangular shape, two exciting elements are connected to it along different diagonals, the first element being designed to excite vibrations with one direction of rotation of the elliptical polarization, the second element is designed to receive radiation with the opposite direction of rotation of the elliptical field They are used to transfer part of the power between the exciting elements through electrodynamic coupling between them through the metal plate.