RU2016444C1

RU2016444C1 - Flat aerial

Info

Publication number: RU2016444C1
Authority: RU
Inventors: Б.М. Андронов; Ю.Ф. Бородин; Н.И. Войтович; В.Н. Вороной; Б.З. Каценеленбаум; Е.Н. Коршунова; В.Н. Кочешев; Л.И. Пангонис; М.Л. Переяславец; А.М. Расин; Н.Н. Репин; А.Н. Сивов; А.Д. Чуприн; А.Д. Шатров
Original assignee: Андронов Борис Михайлович; Бородин Юрий Федорович; Войтович Николай Иванович; Вороной Виталий Николаевич; Каценеленбаум Борис Захарович; Коршунова Евгения Николаевна; Кочешев Виктор Николаевич; Пангонис Людас Иозович; Переяславец Михаил Леонидович; Расин Аркадий Моделевич; Репин Николай Николаевич; Сивов Алексей Николаевич; Чуприн Андрей Дмитриевич; Шатров Александр Дмитриевич
Priority date: 1990-06-19
Filing date: 1990-06-19
Publication date: 1994-07-15
Also published as: EP0489934A1; EP0489934B1; DE59104606D1; WO1991020108A1; EP0489934A4

Abstract

FIELD: satellite TV broadcasting. SUBSTANCE: flat aerial presents multilayer structure composed of flat laminations placed one beneath other containing conducting screen, strip power supply circuit, slit radiators, volumetric resonators, partially transparent surface. Insertion of grid of volumetric resonators with cell size bigger than working length of wave and height equal to approximately half-wave makes it possible to reduce number of radiators with keeping of efficiency, i.e. to simplify power supply circuit and to reduce losses. Use of four slits in each cell excited by known method allows emission and reception of wave with circumferential polarization to be carried out. EFFECT: simplified power supply circuit, reduced losses. 3 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, а более конкретно к плоским антеннам. The invention relates to antenna technology, and more particularly to flat antennas.

Для приема сигналов со спутников в диапазоне 12 ГГц необходима антенна с высоким коэффициентом усиления. Такому требованию отвечают обычные зеркальные антенны. Однако зеркальные антенны довольно громоздки, их рабочие характеристики ухудшаются при воздействии дождя, снега и ветра. Из-за большой парусности зеркальной антенны, обуславливающей большие ветровые нагрузки, мачта или иное крепление для установки антенны должны быть достаточно жесткими, и следовательно, довольно громоздкими и тяжелыми. Внешний вид зеркальной антенны не гармонирует с внешним видом жилых и общественных зданий. Эти факторы обусловили необходимость разработки плоских антенн. To receive signals from satellites in the 12 GHz band, an antenna with a high gain is needed. Conventional SLR antennas meet this requirement. However, SLR antennas are rather cumbersome; their performance deteriorates when exposed to rain, snow and wind. Due to the high windage of the mirror antenna, which causes large wind loads, the mast or other mount for installing the antenna should be quite rigid, and therefore rather bulky and heavy. The appearance of the mirror antenna does not harmonize with the appearance of residential and public buildings. These factors necessitated the development of flat antennas.

Плоские антенны имеют меньший вес, меньшую парусность, менее подвержены влиянию метеоусловий. Эстетическая согласованность плоских антенн с внешним видом жилых и общественных зданий позволяет устанавливать их на стенах зданий. Так как плоские антенны позволяют вести прием сигналов спутника через оконные стекла, то они могут устанавливаться непосредственно в квартирах. Flat antennas have less weight, less windage, less subject to the influence of weather conditions. The aesthetic consistency of flat antennas with the appearance of residential and public buildings allows you to install them on the walls of buildings. Since flat antennas allow you to receive satellite signals through window panes, they can be installed directly in apartments.

Известна плоская антенная решетка, состоящая из экранирующего слоя в виде пластины из электропроводящего материала и размещенного над ним излучающего слоя, содержащего резонаторные печатные излучатели и схему питания из электропроводящего материала, и диэлектрической прокладки между этими слоями (Marata Takao, Ohmaru Kenji "A flat panel antenna with two-layer structure for satellite broadcasting reception", NHK Lab. Note - 1989 - N 374, p. 1-12). Резонаторный печатный излучатель в форме квадрата имеет гальванический контакт с полосками схемы питания. С целью исключения вторичных дифракционных максимумов в диаграмме направленности излучатели расположены друг от друга на расстоянии, равном 0,7-0,9 λ, где λ- длина волны. A flat antenna array is known, consisting of a shielding layer in the form of a plate of electrically conductive material and an emitting layer placed above it containing resonant printed emitters and a power supply circuit of electrically conductive material, and a dielectric strip between these layers (Marata Takao, Ohmaru Kenji "A flat panel antenna with two-layer structure for satellite broadcasting reception ", NHK Lab. Note - 1989 - N 374, p. 1-12). The square resonator is a galvanic contact with the strips of the power circuit. In order to exclude secondary diffraction maxima in the radiation pattern, the emitters are located at a distance of 0.7-0.9 λ from each other, where λ is the wavelength.

Однако такая антенная решетка имеет большие потери, обусловленные:
- непосредственным излучением проводников схемы питания;
- излучением вследствие дифракции волн на Т-образных разветвлениях, трансформатора полных сопротивлений и изгибах микрополосковой линии;
- рассением поверхностной волны, распространяющейся вдоль границы диэлектрическая подложка - воздух, на неоднородностях слоя и на кромках антенны;
- тепловыми потерями в диэлектрике слоя и прокладки микрополосковой линии;
- тепловыми потерями в полосках и экране микрополосковой линии.However, such an antenna array has large losses due to:
- direct radiation of the conductors of the power circuit;
- radiation due to diffraction of waves on T-shaped branches, a transformer of impedances and bends of the microstrip line;
- scattering of a surface wave propagating along the boundary of the dielectric substrate - air, on the inhomogeneities of the layer and on the edges of the antenna;
- thermal losses in the dielectric layer and laying the microstrip line;
- heat losses in the strips and screen of the microstrip line.

Известна плоская антенна для приема волн СВЧ-диапазона, переданных с геостационарного вещательного спутника (USA, 4851855), содержащая систему плоских компланарных печатных излучателей, расположенных между двумя слоями из синтетической смолы. Одна из поверхностей системы излучателей представляет собой раскрыв антенны. Антенна также содержит плоскую схему питания, образованную полосками из электрически проводящего материала и расположенную между двумя слоями из синтетической смолы, и размещенный под ней плоский экран. Система излучателей и схема питания, схема питания и экран разделены между собой прокладками. Known flat antenna for receiving microwave waves transmitted from a geostationary broadcast satellite (USA, 4851855), containing a system of flat coplanar printed emitters located between two layers of synthetic resin. One of the surfaces of the emitter system is the opening of the antenna. The antenna also contains a flat power circuit formed by strips of electrically conductive material and located between two layers of synthetic resin, and a flat screen placed below it. The emitter system and the power circuit, the power circuit and the screen are separated by gaskets.

Прокладки в указанной антенне выполнены в виде рамы из металла, синтетической смолы или дерева. Фидерная сеть антенны представляет собой подвешенную симметричную полосковую линию. Gaskets in this antenna are made in the form of a frame made of metal, synthetic resin or wood. The feeder network of the antenna is a suspended symmetrical strip line.

Благодаря использованию полосковой линии в известной антенне исключены потери, обусловленные непосредственным излучением проводников схемы питания, излучением вследствие дифракции волн на Т-образных разветвлениях, трансформаторах полных сопротивлений и изгибах микрополосковой линии, уменьшены тепловые потери в диэлектрике полосковой линии. Thanks to the use of the strip line in the known antenna, losses due to direct radiation of the conductors of the power circuit, radiation due to diffraction of waves by T-branches, transformers of impedances and bends of the microstrip line are eliminated, and heat losses in the dielectric of the strip line are reduced.

Однако известная антенна также имеет большие тепловые потери в центральном проводнике и экранах полосковой линии вследствие большой протяженности полосков, большого количества двоичных делителей мощности, трансформаторов полных сопротивлений, изгибов линии. However, the known antenna also has large heat losses in the central conductor and the strip line screens due to the large length of the stripes, a large number of binary power dividers, transformers of impedances, line bends.

Известна плоская антенна в виде многослойной структуры, образованной экранирующим слоем из электропроводящего материала, слоем с полосковой схемой питания и излучающим слоем в виде пластины со щелевыми излучателями, электромагнитно связанными с соответствующими полосками схемы питания. Указанные слои разделены друг от друга диэлектрическими прокладками. С экранирующим слоем и полосками схемы питания связан переход. Гальваническая связь проводников слоев со схемой питания и с щелевыми излучателями отсутствует (Hirofumi Ishizaki "Square Antennas Edge Jnto BS Antenna Market" - JEI, 1990, vol. 37, N 8, серия N 432, pp. 63-64). Known flat antenna in the form of a multilayer structure formed by a shielding layer of electrically conductive material, a layer with a strip power circuit and a radiating layer in the form of a plate with slot emitters, electromagnetically coupled to the respective strips of the power circuit. These layers are separated from each other by dielectric spacers. A transition is associated with the shielding layer and the strips of the power circuit. There is no galvanic connection between the layer conductors with the power supply circuit and with slot emitters (Hirofumi Ishizaki "Square Antennas Edge Jnto BS Antenna Market" - JEI, 1990, vol. 37, No. 8, series N 432, pp. 63-64).

В режиме передачи антенна работает следующим образом. In transmission mode, the antenna operates as follows.

Сигнал от передатчика подается на вход перехода и далее через схему питания подводится к щелевым излучателям. Щели возбуждаются полем электромагнитной волны, распространяющейся вдоль полосковой линии. The signal from the transmitter is fed to the transition input and then fed through the power circuit to the slot emitters. Slots are excited by the field of an electromagnetic wave propagating along the strip line.

Однако известная антенна также имеет большие тепловые потери в полосковом проводнике и экранах полосковой линии вследствие большой протяженности фидерной линии, большого количества двоичных делителей мощности, трансформаторов полных сопротивлений, изгибов линии, большого погонного ослабления мощности в линии, которое не представляется возможным уменьшить. However, the known antenna also has large heat losses in the strip conductor and the strip line screens due to the large length of the feeder line, a large number of binary power dividers, transformers, impedances, line bends, large linear attenuation of the line power, which cannot be reduced.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой антенне является выбранная в качестве прототипа плоская антенная решетка, состоящая из подвешенной микрополосковой линии, образованной проводником на диэлектрической пленке, подвешенной между двумя металлическими пластинами. Пластины снабжены отверстиями, расположенными в ряд попарно на уровне выступающих выводов (штырей) проводника микрополосковой линии. Антенна дополнена отражающей пластиной, обуславливающей одностороннее излучение антенны. Кроме того, с целью улучшения согласования выводов микрополосковой линии с излучающими элементами решетки и вследствие этого увеличения коэффициента усиления в антенну введена решетка объемных ячеек, стенки которых образуют волноводы [EPO 252779A]. Closest to the technical nature of the claimed antenna is selected as a prototype flat antenna array consisting of a suspended microstrip line formed by a conductor on a dielectric film suspended between two metal plates. The plates are equipped with holes arranged in a row in pairs at the level of the protruding terminals (pins) of the microstrip line conductor. The antenna is supplemented with a reflective plate, causing one-way radiation of the antenna. In addition, in order to improve the alignment of the conclusions of the microstrip line with the radiating elements of the grating and, as a result, increase the gain, an array of volume cells has been introduced into the antenna, the walls of which form waveguides [EPO 252779A].

Однако такая антенна также имеет большие тепловые потери. Дело в том, что в диапазоне 12 ГГц основной вклад в погонное затухание волны в полосковой линии с хорошим диэлектриком в качестве заполнителя линии вносят тепловые потери в проводниках - в полоске и в экранах линии. However, such an antenna also has a large heat loss. The fact is that in the 12 GHz range, the main contribution to the linear attenuation of a wave in a strip line with a good dielectric as a line filler is made by thermal losses in the conductors - in the strip and in the line shields.

Потери в линии возрастают с ухудшением согласования в фидерной сети. Согласование же существенным образом зависит от количества щелевых излучателей, так как с ростом их количества в антенной решетке увеличивается количество двоичных делителей мощности, трансформаторов полных сопротивлений, изгибов линии. Так, например, решетка, имеющая 2^М= 256 излучателей имеет число М = 9 двоичных делений мощности в антенне с линейной поляризацией и М + 1 = 10 делителей на пути от входа антенны до излучателя круговой поляризации. В связи с высокой плотностью излучателей в решетке изгибы в линии выполняются прямоугольными.Losses in the line increase with the deterioration of coordination in the feeder network. Matching essentially depends on the number of slot emitters, since with an increase in their number in the antenna array, the number of binary power dividers, transformers of impedances, and bends of the line increases. So, for example, a grating having 2 ^M = 256 emitters has a number M = 9 binary power divisions in an antenna with linear polarization and M + 1 = 10 dividers on the way from the antenna input to the circular polarized radiator. Due to the high density of emitters in the grating, the bends in the line are rectangular.

Большое количество элементов фидерного тракта в решетке, резкие изломы полоскового проводника ухудшают согласование в линии и вследствие этого приводят к повышению потерь в антенне. A large number of feeder path elements in the array, sharp kinks of the strip conductor impair line alignment and, as a result, lead to an increase in antenna losses.

Целью настоящего изобретения является уменьшение потерь в антенне. The aim of the present invention is to reduce losses in the antenna.

Поставленная цель достигается тем, что в плоскую антенну в виде многослойной структуры, образованной экранирующим слоем из электропроводящего материала, слоем с полосковой схемой питания и слоем в виде пластины со щелями, электромагнитно связанными с соответствующими полосками схемы питания, а также слой в виде решетки объемных ячеек и переход, связанный с экранирующим слоем и полосками питания, введена частично прозрачная для диапазона принимаемых волн пластина, размещенная на решетке объемных ячеек, причем решетка объемных ячеек выполнена из электропроводящего материала и расположена на пластине со щелями с образованием каждой из ее ячеек объемного резонатора, в котором размещена по меньшей мере одна щель, при этом длина и ширина каждой ячейки превышает среднюю длину волны, а ее высота а = λ/2. This goal is achieved by the fact that in a flat antenna in the form of a multilayer structure formed by a shielding layer of electrically conductive material, a layer with a strip power circuit and a layer in the form of a plate with slots electromagnetically coupled to the corresponding strips of the power circuit, as well as a layer in the form of a grating of volume cells and a transition associated with the shielding layer and power strips, a plate partially transparent to the range of received waves is introduced, placed on the lattice of the volume cells, and the lattice of the volume cells filled from an electrically conductive material and located on a plate with slots with the formation of each of its cells of the cavity resonator, in which at least one slot is placed, the length and width of each cell exceeding the average wavelength and its height a = λ / 2.

Введение в плоскую антенну решетки резонаторов позволяет существенно уменьшить количество щелевых излучателей при сохранении коэффициента направленного действия плоской антенны за счет трансформации поля излучателя в поле собственного колебания резонатора, исключающее возможность появления вторичных дифракционных максимумов в диаграмме направленности. Уменьшение количества излучателей позволяет упростить схему питания и снизить потери в ней. The introduction of resonator arrays into a planar antenna can significantly reduce the number of slot emitters while maintaining the directional coefficient of the planar antenna due to the transformation of the emitter field into the resonator’s own oscillation field, eliminating the possibility of secondary diffraction maxima appearing in the radiation pattern. Reducing the number of emitters can simplify the power circuit and reduce losses in it.

Целесообразно, чтобы частично прозрачный слой был бы выполнен в виде пластины из электропроводящего материала с отверстиями связи, при этом высота решетки должна составлять менее половины средней длины волны. It is advisable that the partially transparent layer would be made in the form of a plate of electrically conductive material with communication holes, while the height of the lattice should be less than half the average wavelength.

Использование в качестве частично прозрачного слоя пластины из проводящего материала с отверстиями связи позволяет выполнить этот слой штамповкой. The use of a plate of a conductive material with communication holes as a partially transparent layer allows this layer to be stamped.

Целесообразно также, чтобы частично прозрачный слой был бы выполнен в виде диэлектрической пленки с размещенными на ней с обеих сторон электрически изолированными металлическими пластинками, при этом высота решетки должна составлять более половины средней длины волны. It is also advisable that the partially transparent layer would be made in the form of a dielectric film with electrically insulated metal plates placed on both sides of it, while the height of the grating should be more than half the average wavelength.

Применение диэлектрической пленки с металлическими пластинками позволяет выполнить частично прозрачный слой с помощью печатной технологии. The use of a dielectric film with metal plates allows you to perform a partially transparent layer using printing technology.

Целесообразно также, чтобы щели были выполнены в виде узких прямолинейных прорезей длиной примерно равной половине длины волны. Целесообразно также, чтобы плоская антенна была бы выполнена таким образом, чтобы ширина и длина каждой ячейки составляла бы 4 λ, где λ - длина волны, при этом число щелевых излучателей в каждой ячейке было бы равно двум и расположены они были бы параллельно одной из стенок ячейки на расстояниях от нее, равных соответственно 1/4 и 3/4 длины стенки, ортогональной щелям. It is also advisable that the slots were made in the form of narrow rectilinear slits with a length of approximately equal to half the wavelength. It is also advisable that the flat antenna be made in such a way that the width and length of each cell is 4 λ, where λ is the wavelength, while the number of slot emitters in each cell would be equal to two and they would be parallel to one of the walls cells at distances from it equal to 1/4 and 3/4 of the wall length, respectively, orthogonal to the slits.

Использование двух щелевых излучателей, расположенных в резонаторе указанным образом, позволяет расширить полосу рабочих частот антенны, так как такое расположение исключает возбуждение ближайшего паразитного колебания в резонаторе и соответствующее ему искажение диаграммы направленности. The use of two slot emitters located in the resonator in this way allows you to expand the operating frequency band of the antenna, since this arrangement excludes the excitation of the nearest spurious oscillations in the cavity and the corresponding distortion of the radiation pattern.

Целесообразно также, чтобы плоская антенна была бы выполнена таким образом, чтобы в каждой ячейке решетки дополнительно были бы выполнены два щелевых излучателя, размещенных параллельно друг другу и ортогонально основным щелевым излучателям на расстояниях, равных соответственно 1/4 и 3/4 длины стенки, ортогональной щелям, при этом длины полосков, соответствующих каждой паре ортогонально расположенных излучателей, должны отличаться друг от друга на 1/4. λ. It is also advisable that the flat antenna be made in such a way that in each cell of the array two additional slot emitters are arranged parallel to each other and orthogonal to the main slot emitters at distances equal to 1/4 and 3/4 of the wall length, respectively, orthogonal gaps, while the lengths of the strips corresponding to each pair of orthogonally located emitters should differ from each other by 1/4. λ.

Использование четырех щелевых излучателей в резонаторе, расположенных и питаемых указанным образом, позволяет обеспечить излучение или прием волн с круговой поляризацией поля в рабочем диапазоне частот. The use of four slot emitters in the cavity, located and fed in this way, allows for the emission or reception of waves with circular polarization of the field in the operating frequency range.

Целесообразно также, чтобы решетка объемных ячеек была выполнена из диэлектрического материала, причем ее поверхность металлизирована. It is also advisable that the lattice of the volumetric cells was made of a dielectric material, and its surface is metallized.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 изображен трехмерный вид основных частей плоской антенны в разобранном виде; на фиг.2 - вариант выполнения частично прозрачного слоя; на фиг.3 - расположение щелевых излучателей на пластине излучающего слоя; на фиг.4 - графики двумерного закона распределения касательной составляющей напряженности электрического поля по данным измерений на расстоянии 4/5 λ от апертуры антенны; на фиг.5 - экспериментальная диаграмма направленности антенны первого варианта выполнения в плоскости вектора Е; на фиг.6 - экспериментальная диаграмма направленности антенны первого варианта ее выполнения в плоскости вектора Н; на фиг.7 - график зависимости коэффициента усиления антенны первого варианта ее выполнения от частоты; на фиг.8 - экспериментальная диаграмма направленности антенны второго варианта ее выполнения в плоскости вектора Е; на фиг.9 - экспериментальная диаграмма направленности антенны второго варианта ее выполнения в плоскости вектора Н; на фиг.10 - график зависимости коэффициента усиления антенны второго варианта выполнения от частоты. In the future, the invention is illustrated by specific examples of its implementation and the accompanying drawings, where figure 1 shows a three-dimensional view of the main parts of a flat antenna in disassembled form; figure 2 is an embodiment of a partially transparent layer; figure 3 - the location of the slot emitters on the plate of the radiating layer; figure 4 - graphs of the two-dimensional distribution of the tangent component of the electric field according to measurements at a distance of 4/5 λ from the aperture of the antenna; figure 5 - experimental radiation pattern of the antenna of the first embodiment in the plane of the vector E; figure 6 is an experimental radiation pattern of the antenna of the first variant of its implementation in the plane of the vector H; Fig.7 is a graph of the dependence of the gain of the antenna of the first embodiment of its implementation on frequency; on Fig - experimental radiation pattern of the antenna of the second variant of its implementation in the plane of the vector E; figure 9 is an experimental radiation pattern of the antenna of the second variant of its implementation in the plane of the vector H; figure 10 is a graph of the dependence of the gain of the antenna of the second embodiment on the frequency.

Антенна содержит экранирующий слой 1 (фиг.1), слой 2 с полосками 3 схемы питания из электрически проводящего материала, слоя 4, включающий в себя проводящую пластину с системой щелей 5 и 6 прокладки 7 и 8, решетку 9 с объемными ячейками 10, частично прозрачный слой 11 с отверстиями 12 связи, обтекатель 13 при необходимости, коаксиально-полосковый или полосково-волноводный переход 14. The antenna contains a shielding layer 1 (Fig. 1), layer 2 with strips 3 of a power circuit made of electrically conductive material, layer 4, which includes a conductive plate with a system of slots 5 and 6 of the strip 7 and 8, a grating 9 with volume cells 10, partially a transparent layer 11 with communication holes 12, a fairing 13, if necessary, a coaxial-strip or strip-waveguide transition 14.

Экранирующий слой 1 выполняется из алюминия, меди, серебра или другого материала с высокой электрической проводимостью. С целью защиты проводящего экранирующего слоя 1 от коррозии его поверхность может быть покрыта слоем диэлектрика толщиной 5-20 мкм. The shielding layer 1 is made of aluminum, copper, silver or other material with high electrical conductivity. In order to protect the conductive shielding layer 1 from corrosion, its surface can be covered with a dielectric layer 5-20 μm thick.

Слой 2 выполняется в виде трехпластинчатой конструкции, обеспечивающей защиту проводников схемы питания от коррозии. Layer 2 is made in the form of a three-plate design that provides protection of the conductors of the power circuit from corrosion.

Слой 4 выполняется также в виде трехпластинчатой конструкции, при этом верхняя сторона проводящей пластины с системой щелей 5 и 6 покрывается пленкой из синтетического материала после припайки или приклейки пластины к решетке 9. Layer 4 is also made in the form of a three-plate structure, while the upper side of the conductive plate with a system of slots 5 and 6 is covered with a film of synthetic material after soldering or gluing the plate to the grating 9.

Прокладки 7 и 8 выполняются из вспененного полистирола или другого диэлектрического материала с малым значением тангенса угла диэлектрических потерь. Gaskets 7 and 8 are made of expanded polystyrene or other dielectric material with a small dielectric loss tangent.

Решетка 9 и частично прозрачный слой 11 выполняются из хорошо проводящего материала, такого, как алюминий, медь, серебро или анлогичного по проводимости электрического тока. Решетка 9 выполняется либо из диэлектрического материала с нанесенным на него металлическим покрытием, либо из хорошо проводящего материала. The grating 9 and the partially transparent layer 11 are made of a well-conductive material, such as aluminum, copper, silver, or a similar electrical conductivity. The grating 9 is made either of a dielectric material coated with a metal coating, or of a well-conducting material.

Слой 11 выполняется в виде металлической пластины, перфорированной круглыми или квадратными отверстиями 12. В другом варианте слой 11 (фиг.2) выполняется в виде диэлектрической пленки с размещенными на обеих сторонах электрически изолированными металлическими пластинками 15. Layer 11 is made in the form of a metal plate perforated with round or square holes 12. In another embodiment, layer 11 (Fig. 2) is made in the form of a dielectric film with electrically insulated metal plates 15 placed on both sides.

Проводящая пластина слоя 4, решетка 9 и слой 11 после сборки антенны имеют между собой гальванический контакт по всему периметру соприкосновения. Гальваническая связь обеспечивается либо за счет пайки, либо приклейки токопроводящим клеем. The conductive plate of layer 4, the grating 9 and layer 11 after the assembly of the antenna have galvanic contact with each other along the entire perimeter of the contact. Galvanic communication is provided either by soldering or gluing with conductive glue.

Проводящая пластина слоя 4 совместно с ячейками 10 решетки 9 и слоем 11 образуюют n x m объемных резонаторов с частично прозрачной поверхностью, где n и m - количество резонаторов по осям X и Y ортогональной системы координат в плоскости раскрыва антенны. Длина и ширина ячеек 10 выбирается порядка нескольких длин волн в зависимости от заданного диапазона рабочих частот, например, 4λx4λ . Высота решетки 9 выбирается из требования, чтобы сумма высоты решетки 9 и половины толщины слоя 11 отличалась от половины длины волны на величину, пропорциональную корню квадратному из относительной полосы частот, например, на величину 0,02-0,07 длины волны. Выбор количества n x m резонаторов выполняется из условия обеспечения заданного коэффициента усиления антенны. The conductive plate of layer 4 together with cells 10 of grating 9 and layer 11 form n x m volume resonators with a partially transparent surface, where n and m are the number of resonators along the X and Y axes of the orthogonal coordinate system in the aperture plane of the antenna. The length and width of the cells 10 is selected on the order of several wavelengths depending on a given range of operating frequencies, for example, 4λx4λ. The height of the grating 9 is selected from the requirement that the sum of the height of the grating 9 and half the thickness of the layer 11 differs from half the wavelength by an amount proportional to the square root of the relative frequency band, for example, by a value of 0.02-0.07 of the wavelength. The choice of the number of n x m resonators is made from the condition of providing a given antenna gain.

В режиме передачи предлагаемая плоская антенна работает следующим образом. In transmission mode, the proposed flat antenna operates as follows.

Сигнал от передатчика (на фиг. не показан) подается на вход коаксиально-полоскового перехода 14 (фиг.1) и далее через полоски 3 схемы питания подводится к щелям 5 и 6. The signal from the transmitter (not shown in FIG.) Is fed to the input of the coaxial strip junction 14 (FIG. 1) and then fed through the strips 3 of the power circuit to the slots 5 and 6.

Щели возбуждаются полем электромагнитной волны, распространяющейся вдоль полосковой линии. Далее происходит возбуждение щелями объемных резонаторов и последующее излучение электромагнитной энергии через слой 11. Slots are excited by the field of an electromagnetic wave propagating along the strip line. Next, the slit excitation of the volume resonators and the subsequent radiation of electromagnetic energy through the layer 11.

Структура поля в резонаторе с частично прозрачной стенкой с ростом добротности асимптотически стремится к структуре поля в закрытом резонаторе. The field structure in a cavity with a partially transparent wall, with an increase in the quality factor, asymptotically tends to the field structure in a closed cavity.

Щели излучателей 5,6 (фиг.1) возбуждают в резонаторе основное колебание, приближенно описываемое соотношением:
E_x=cos

sin

sinωt , (1)
E_y=cos

sin

cosωt , (2) где ω - круговая частота колебаний в резонаторе,
l - длина сторон резонатора,
а - высота резонатора.The slots of the emitters 5.6 (figure 1) excite the main oscillation in the resonator, approximately described by the ratio:
E _x = cos

sin

sinωt, (1)
E _y = cos

sin

cosωt, (2) where ω is the circular frequency of oscillations in the resonator,
l is the length of the sides of the resonator,
and - the height of the resonator.

Амплитуды колебаний более высокого порядка малы по сравнению с амплитудой основного колебания вследствие избирательных свойств резонатора. The oscillation amplitudes of a higher order are small compared with the amplitude of the main oscillation due to the selective properties of the resonator.

В результате прохождения волны через слой 11 в раскрыве антенны формируется распределение поля по закону:

=

cos

sinωt+

cos

cosωt (3) где i (j) - единичный вектор вдоль оси X (Y).As a result of the passage of the wave through the layer 11 in the aperture of the antenna, a field distribution is formed according to the law:

=

cos

sinωt +

cos

cosωt (3) where i (j) is the unit vector along the X (Y) axis.

При данном распределении поля в раскрыве антенна формирует диаграмму направленности с максимумом излучения в направлении нормали к раскрыву, а поле излучения имеет круговую поляризацию. With this field distribution in the aperture, the antenna forms a radiation pattern with a maximum of radiation in the direction normal to the aperture, and the radiation field has circular polarization.

Введение в антенну дополнительно решетки 9 и слоя 11 позволяет существенно разредить решетку из щелей 5 и 6. Анализ результатов численных исследований с использованием строгого решения электродинамической задачи возбуждения резонаторной антенны показывает, что при работе в 5%-ой полосе частот щели 5 и 6 излучателей на проводящей пластине слоя 4 могут отстоять друг от друга в плоскости Н на расстоянии, равном 4λ . Из результатов экспериментальных исследований установлено, что расстояние между двумя щелями в плоскости Е может быть порядка двух длин волн. Экспериментальный образец с линейной поляризацией поля излучения, обеспечивающий 5%-ую полосу частот при размере сторон ячейки 10, равном 4λ x 4λ и n = m = 1 имеет две щели, расположенные в плоскости вектора Е. The introduction of an additional array of gratings 9 and layer 11 into the antenna makes it possible to substantially destroy the lattice from slots 5 and 6. Analysis of the results of numerical studies using a rigorous solution of the electrodynamic problem of excitation of a resonator antenna shows that when working in a 5% frequency band of the gap, 5 and 6 emitters the conductive plate of the layer 4 can be separated from each other in the plane H at a distance equal to 4λ. From the results of experimental studies it was found that the distance between two slits in the E plane can be of the order of two wavelengths. An experimental sample with linear polarization of the radiation field, providing a 5% frequency band with a cell side size of 10 equal to 4λ x 4λ and n = m = 1, has two slots located in the plane of the vector E.

Следует отметить, что, несмотря на то, что щели на пластине слоя 4 расположены с шагом порядка 2λ , тем не менее предложенная антенная решетка не имеет вторичных дифракционных максимумов. Введение дополнительно решетки 9 и слоя 11 превращает антенну в виде решетки дискретных излучателей в апертурную антенну, в раскрыве которой напряженность поля по одной из координат постоянна, а по другой изменяется в пределах каждого резонатора по косинусоидальному закону. Указанное распределение поля в раскрыве антенны обеспечивает подавление вторичных интерференционных максимумов, которые имели бы место в разреженной решетке. It should be noted that, despite the fact that the gaps on the plate of layer 4 are arranged with a step of the order of 2λ, nevertheless, the proposed antenna array does not have secondary diffraction maxima. The introduction of an additional lattice 9 and layer 11 turns the antenna in the form of a lattice of discrete emitters into an aperture antenna, in the aperture of which the field strength is constant along one of the coordinates, and varies according to the cosine law along the other within each resonator. The indicated field distribution in the aperture of the antenna suppresses secondary interference maxima that would occur in a rarefied array.

Благодаря разреженности решетки из щелей 5 и 6 упрощается схема питания антенны:
- уменьшается длина проводников схемы питания;
- уменьшается количество двоичных делителей мощности в схеме питания и, соответственно, уменьшается количество трансформаторов сопротивлений и изгибов линии питания;
- в связи с меньшей плотностью элементов схемы делители мощности выполняются не в виде прямоугольных переходов, а в виде плавного изгиба проводников в местах разветвлений;
- полосковая линия выполняется широкими полосками 3.Due to the sparseness of the lattice from slots 5 and 6, the antenna power supply circuit is simplified:
- decreases the length of the conductors of the power circuit;
- decreases the number of binary power dividers in the power circuit and, accordingly, reduces the number of transformers of resistances and bends of the power line;
- due to the lower density of circuit elements, power dividers are not made in the form of rectangular transitions, but in the form of a smooth bending of conductors at the branch points;
- the strip line is made with wide stripes 3.

При использовании более широких полосков 3 в полосковой линии уменьшается величина погонного ослабления волны в линии. Уменьшение количества элементов схемы, применение плавных переходов позволяет получить лучшее согласование в схеме, что снижает потери в линии, обусловленные многократными отражениями волн от неоднородностей схемы. Уменьшение длины проводников схемы питания уменьшает потери в линии. When using wider strips 3 in the strip line, the value of the specific attenuation of the wave in the line decreases. Reducing the number of circuit elements, the use of smooth transitions allows you to get a better fit in the circuit, which reduces line losses due to multiple wave reflections from the circuit inhomogeneities. Reducing the length of the conductors of the power circuit reduces line loss.

Кроме того, выбор широких полосков 3 для фидерного тракта снижает требования к точности изготовления тракта. In addition, the choice of wide strips 3 for the feeder path reduces the requirements for precision manufacturing of the path.

Вследствие использования резонаторов предложенная антенна имеет более высокую избирательность по частоте по сравнению с известными плоскими антенными решетками, излучающими элементами которых служат щели, микрополосковые коленчатые линии, диполи, микрополосковые излучатели, рупоры. Due to the use of resonators, the proposed antenna has a higher frequency selectivity than the known flat antenna arrays, the emitting elements of which are slots, microstrip elbow lines, dipoles, microstrip radiators, horns.

В связи с этим при приеме сигналов спутника непосредственного телевизионного вещания снижается влияние помех вне рабочей полосы. In this regard, when receiving satellite signals of direct television broadcasting, the influence of interference outside the working band is reduced.

Предложенная антенна по сравнению с применяемыми в настоящее время зеркальными антеннами для систем непосредственного телевизионного вещания обладает преимуществом в отношении конструктивной и эстетической согласованности с интерьером квартир, с внешним видом жилых и общественных зданий, имеет существенно меньший размер в направлении излучения волн. The proposed antenna in comparison with the currently used mirror antennas for direct television broadcasting systems has the advantage of structural and aesthetic consistency with the interior of the apartments, with the appearance of residential and public buildings, has a significantly smaller size in the direction of radiation of the waves.

Ниже приведены примеры, подтверждающие возможность реализации предлагаемого изобретения. Below are examples that confirm the feasibility of the invention.

В первом варианте выполнения плоской антенны, соответствующем количеству 1 х 1 ячеек 10 в решетке 9, пластина слоя 4 имеет два ряда ортогонально расположенных щелей по два излучателя 5 и 6 в каждом ряду, как показано на фиг. 3. Внутренние размеры ячейки 10 решетки 9 равны 95 х 95 мм. Щели расположены в точках с координатами A ( - 47,5; 0); B (47,5; 0); C (0; 47,5); D (0; - 47,5). Высота стенок решетки 9 равна 11,7 мм. In the first embodiment of a planar antenna corresponding to the number of 1 x 1 cells 10 in the array 9, the plate of the layer 4 has two rows of orthogonally located slots, two emitters 5 and 6 in each row, as shown in FIG. 3. The internal dimensions of the cell 10 of the lattice 9 are 95 x 95 mm. Slots are located at points with coordinates A (- 47.5; 0); B (47.5; 0); C (0; 47.5); D (0; - 47.5). The height of the walls of the lattice 9 is equal to 11.7 mm

Слой 11 выполнен путем перфорации медной пластины толщиной 1 мм квадратными отверстиями 12 размером 7,5 х 7,5 мм. Период перфорации по обеим координатам равен 11,5 мм. Layer 11 is made by perforating a copper plate with a thickness of 1 mm by square holes 12 measuring 7.5 x 7.5 mm. The perforation period in both coordinates is 11.5 mm.

Схема питания выполнена на основе симметричной полосковой линии. Ширина полоска 3 равна 3,8 мм, толщина - 0,018 мм. Высота полосковой линии - 3 мм. Прокладки 7 и 8 выполнены из вспененного полистирола. The power circuit is based on a symmetrical strip line. Strip 3 has a width of 3.8 mm and a thickness of 0.018 mm. The height of the strip line is 3 mm. Gaskets 7 and 8 are made of expanded polystyrene.

По данным измерений волноводным методом диэлектрическая проницаемость вспененного полистирола равна 1,13, тангенс угла диэлектрических потерь равен 5˙10^-5. Схема питания построена таким образом, что магнитные токи в щелевых излучателях 5 и 6 каждого ряда синфазны между собой и сдвинуты относительно токов ортогонального ряда по фазе на 90^о. Сигнал на антенну поступает через полосково-коаксиальный переход 14.According to waveguide measurements, the dielectric constant of foamed polystyrene is 1.13, and the dielectric loss tangent is ⁵ равен10 ^-5 . The supply circuit is constructed so that the magnetic currents in the slot radiators 5 and 6 of each row are in phase with each other and shifted relative currents orthogonal series in phase by ⁹⁰ °. The signal to the antenna enters through the strip-coaxial junction 14.

На фиг.4 приведены графики, иллюстрирующие измеренный закон распределения касательной составляющей напряженности электрического поля Е в апертуре антенны. Измерения выполнены на расстоянии 4/5λ от апертуры антенны на частоте 11,7 ГГц. Figure 4 shows graphs illustrating the measured law of the distribution of the tangent component of the electric field E in the aperture of the antenna. The measurements were performed at a distance of 4 / 5λ from the antenna aperture at a frequency of 11.7 GHz.

Экспериментальные диаграммы направленности в плоскости вектора Е и в плоскости вектора Н показаны на фиг.5 и 6, соответственно. The experimental radiation patterns in the plane of vector E and in the plane of vector H are shown in FIGS. 5 and 6, respectively.

Зависимость коэффициента К усиления антенны от частоты F по данным экспериментальных измерений приведены на фиг.7. The dependence of the gain K of the antenna on the frequency F according to experimental measurements is shown in Fig.7.

Во втором варианте выполнения плоской антенны алюминиевая решетка 9 имеет 4 х 4 ячеек 10. Внутренние размеры ячеек 10 равны 95 х 95 мм. Высота стенок решетки 9 равна 11,7 мм. На пластине слоя 4 размещены две системы ортогонально расположенных щелевых излучателей 5 и 6. В каждой системе щели расположены в четырех рядах по восемь параллельных между собой щелей излучателей 5 или 6 в ряду. In the second embodiment of a flat antenna, the aluminum grill 9 has 4 x 4 cells 10. The internal dimensions of the cells 10 are 95 x 95 mm. The height of the walls of the lattice 9 is equal to 11.7 mm On the plate of layer 4 there are two systems of orthogonally located slot emitters 5 and 6. In each system, the slots are arranged in four rows of eight parallel slots of emitters 5 or 6 in a row.

Слой 11 изготовлен из алюминиевого листа толщиной 1 мм путем его перфорации квадратными отверстиями 12 размером 7,5 х 7,5 мм. Решетка 9, слой 11 и проводящая пластина слоя 4 в совокупности образуют шестнадцать объемных резонаторов с частично прозрачной поверхностью. Расположение щелей на поверхности каждого резонатора тождественно расположению щелей в первой антенне. Полосковая линия схемы питания имеет в поперечном сечении те же размеры, что и линия первой антенны. Сигнал на антенну поступает через полосково-волноводный переход 14. Обтекаль 13 антенны выполнен из вспененного полистирола с плотностью 0,6 г/см³. Общие габариты антенны (без учета размеров коаксиально-полоскового перехода) 400 х 400 х 24 мм. Вес антенны 2,7 кг.Layer 11 is made of an aluminum sheet 1 mm thick by perforating it with square holes 12 measuring 7.5 x 7.5 mm. The grating 9, layer 11 and the conductive plate of layer 4 together form sixteen volume resonators with a partially transparent surface. The location of the slots on the surface of each resonator is identical to the location of the slots in the first antenna. The strip line of the power circuit has the same dimensions in cross section as the line of the first antenna. The signal to the antenna enters through the strip-waveguide junction 14. The aperture 13 of the antenna is made of expanded polystyrene with a density of 0.6 g / cm ³ . The overall dimensions of the antenna (excluding the dimensions of the coaxial strip junction) are 400 x 400 x 24 mm. The weight of the antenna is 2.7 kg.

Экспериментальные диаграммы направленности второй антенны в плоскости векторов Е и Н показаны на фиг.8 и 9, соответственно. The experimental radiation patterns of the second antenna in the plane of the vectors E and H are shown in FIGS. 8 and 9, respectively.

Зависимость коэффициента К усиления второй антенны от частоты F по данным измерений приведены на фиг.10. The dependence of the gain coefficient K of the second antenna on the frequency F according to the measurements is shown in Fig.10.

Коэффициент эллиптичности в максимуме диаграммы направленности в диапазоне частот 11,7-12,2 ГГц не хуже - 1дБ. The ellipticity coefficient at the maximum of the radiation pattern in the frequency range 11.7-12.2 GHz is not worse - 1dB.

Изобретение может быть с успехом использовано в системах спутниковой и наземной связи, в системах спутникового телевидения, в частности в качестве антенны для непосредственного приема сигналов спутникового телевидения в диапазоне 12 ГГц. The invention can be successfully used in satellite and terrestrial communication systems, in satellite television systems, in particular as an antenna for direct reception of satellite television signals in the 12 GHz band.

Claims

1. A PLANE ANTENNA containing a multilayer structure formed by a shielding layer of electrically conductive material, a layer with a strip power circuit and a layer in the form of a plate with slots electromagnetically coupled to the corresponding strip conductors of the power circuit, a lattice of volume cells and a transition associated with the shield layer and strip conductors of the power circuit, characterized in that, in order to reduce losses, a partially transparent plate for the operating frequency range is introduced, placed on the grating of the volume cells, p In addition, each cell of the lattice of volume cells is made of an electrically conductive material and forms a cavity resonator together with a plate with slots, while the length and width of the cell exceeds the average wavelength λ, and its height a ≈ λ / 2, adjacent slots are located on the plate at a distance from another longer wavelength.

2. The antenna according to claim 1, characterized in that the slots are made in the form of narrow rectilinear slots of length l ≈ λ / 2.

3. The antenna according to claims 1 and 2, characterized in that the width and length of each lattice cell of the volumetric cell is 4λ˙4λ, while the number of slots in each cell is equal to two and they are parallel to one of the cell walls at distances equal to 1/4 and 3/4, respectively, of the wall length orthogonal to the slots.