RU2144721C1

RU2144721C1 - Differently polarized planar antenna array

Info

Publication number: RU2144721C1
Application number: RU98107986A
Authority: RU
Inventors: С.Н. Дегилевич; А.И. Жуков; Ю.А. Ковригин; В.Г. Кабаков; В.В. Скобелев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью конструкторское бюро "Пульс"
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1998-04-24
Publication date: 2000-01-20

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: antenna array designed for use in transceiver systems operating either within broad frequency band or at high transmit-receive frequency separation has rectangular-shape radiators with holes made directly under them on insulating board, and feed arranged on inner side of insulating board with its inputs connected to outputs of two power systems; probes are placed between radiators and feed; matching devices made in the form of insulating disks are coaxially arranged between probes and insulating board. EFFECT: extended operating frequency band both for radiation and ellipticity. 7 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенных приемопередающих системах, работающих либо в широком диапазоне частот, либо с большим разносом частот приема-передачи. The invention relates to radio engineering and can be used in antenna transceiver systems operating either in a wide range of frequencies, or with a large separation of the frequencies of the transmit-receive.

Известна плоская антенная решетка /1/, содержащая диэлектрическую подложку, с одной стороны которой расположен металлический экран, с другой - прямоугольные излучатели и система питания на основе полосковой линии, имеющая один вход и количество выходов, равное количеству излучателей. Размеры прямоугольного излучателя и точка питания выбраны для обеспечения антенне режима круговой поляризации. Known flat antenna array / 1 /, containing a dielectric substrate, on one side of which there is a metal screen, on the other - rectangular radiators and a strip-based power supply system having one input and the number of outputs equal to the number of emitters. The dimensions of the rectangular radiator and the power point are selected to provide the antenna with circular polarization mode.

К недостаткам указанной антенной решетки можно отнести: один поляризационный режим; узкую полосу рабочих частот по коэффициенту усиления и коэффициенту эллиптичности, сложность обеспечения высокого коэффициента эллиптичности. The disadvantages of this antenna array include: one polarization mode; a narrow band of operating frequencies in terms of gain and ellipticity, the difficulty of ensuring a high ellipticity.

Наиболее близкой по технической сущности является плоская антенная решетка с различными поляризациями, содержащая установленные одна под другой защитную крышку, проводящую пластину с излучающими отверстиями, диэлектрическую плату и экранирующую пластину, возбуждающие элементы с выходом для сигналов различных поляризаций, две системы питания для приема/передачи сигналов различных поляризаций, включающие элементы питания и выходные зонды, расположенные в выходном волноводе, размещенном в центре антенной решетки, причем на внутренней поверхности защитной диэлектрической крышки выполнена решетка отражающих элементов, расположенных соответственно над излучающими отверстиями в проводящей пластине, диэлектрическая плата расположена между экранирующей и проводящей пластинами, при этом возбуждающие элементы с выходами для сигналов различных поляризаций и две системы питания для приема/передачи сигналов различных поляризаций размещены на одной поверхности диэлектрической платы без пересечения проводников, а каждая из систем питания для приема/передачи сигналов различной поляризации имеют пару соосных выходных зондов, причем оси пар соосных выходных зондов ортогональны и лежат в одной плоскости поперечного сечения выходного волновода с пересечением в его центре, и выходы для сигналов различных поляризаций другой половины возбуждающих элементов подключены к другим выходным зондам пар соосных выходных зондов, а сами возбуждающие элементы выполнены в виде элементов круговой поляризации, в виде двух ортогональных зондов /2/. The closest in technical essence is a flat antenna array with different polarizations, containing a protective cover mounted one below the other, a conductive plate with radiating holes, a dielectric board and a shielding plate, exciting elements with an output for signals of different polarizations, two power systems for receiving / transmitting signals various polarizations, including batteries and output probes located in the output waveguide located in the center of the antenna array, and on the inside the surface of the protective dielectric cover, a lattice of reflecting elements is arranged located respectively above the radiating holes in the conductive plate, the dielectric board is located between the shield and conductive plates, while the exciting elements with outputs for signals of different polarizations and two power systems for receiving / transmitting signals of different polarizations are placed on one surface of the dielectric board without crossing the conductors, and each of the power systems for receiving / transmitting signals personal polarization have a pair of coaxial output probes, and the axis of the pairs of coaxial output probes are orthogonal and lie in the same plane of the cross section of the output waveguide with the intersection in its center, and the outputs for signals of different polarizations of the other half of the exciting elements are connected to other output probes of pairs of coaxial output probes, and the exciting elements themselves are made in the form of circular polarized elements, in the form of two orthogonal probes / 2 /.

Недостатком антенной решетки является узкая полоса рабочих частот, обусловленная использованием узкополосной излучающей структуры "возбуждающий элемент круговой поляризации - излучающее отверстие в металлической пластине - отражающий элемент на защитной диэлектрической крышке". Ширина полосы рабочих частот такой структуры ограничена как по излучению в полосе частот, так и по коэффициенту эллиптичности. Использование структуры "диэлектрик-металл-диэлектрик-металл" приводит к диэлектрическим потерям (поскольку излучаемое поле сосредоточено в диэлектрике между металлической платиной и экранирующей пластиной). The disadvantage of the antenna array is a narrow operating frequency band due to the use of a narrow-band radiating structure "circular polarizing exciting element - a radiating hole in a metal plate - reflecting element on a protective dielectric cover". The working frequency bandwidth of such a structure is limited both by radiation in the frequency band and by the ellipticity coefficient. The use of a dielectric-metal-dielectric-metal structure leads to dielectric losses (since the radiated field is concentrated in the dielectric between the metal platinum and the shielding plate).

Изобретение направлено на расширение полосы рабочих частот антенной решетки как по излучению, так и по коэффициенту эллиптичности. The invention is aimed at expanding the operating frequency band of the antenna array both in terms of radiation and ellipticity coefficient.

Это достигается тем, что в плоской антенной решетке с различными поляризациями использованы излучатели прямоугольной формы, причем стороны прямоугольных излучателей выполнены с выемками или выпуклостями, радиус которых лежит в пределах R = 1/2 a÷∞, а контуры выемок или выпуклостей выполнены по линейному или отличному от линейного закону, что позволяет расширить полосу излучаемых рабочих частот Δf за счет создания в излучателе резонансных областей для этого диапазона частот. This is achieved by the fact that rectangular emitters are used in a planar antenna array with different polarizations, and the sides of rectangular emitters are made with recesses or bulges, the radius of which lies within R = 1/2 a ÷ ∞, and the contours of the recesses or bulges are made in linear or different from linear law, which allows you to expand the band of emitted operating frequencies Δf by creating resonant regions in the emitter for this frequency range.

На диэлектрической плате непосредственно под излучателями выполнены отверстия (перфорация), количество и форму которых выбирают из соображения удовлетворения двум условиям: наибольшая площадь отверстий при сохранении механической прочности структуры. Отверстия снижают диэлектрическую проницаемость диэлектрического заполнения излучателем, тем самым снижаются диэлектричекие потери в излучателе и расширяется полоса его рабочих мест. Holes (perforations) are made on the dielectric board directly below the emitters, the number and shape of which are chosen in order to satisfy two conditions: the largest area of the holes while maintaining the mechanical strength of the structure. Holes reduce the dielectric constant of the dielectric filling by the emitter, thereby reducing the dielectric loss in the emitter and expanding the strip of its jobs.

Возбуждение излучателей для создания круговой поляризации осуществляют через возбуждающее устройство, выполненное в виде 90-градусного моста, размещенного с внутренней стороны диэлектрической платы, причем излучатель служит для 90-градусного моста экраном. Мосты обладают широкой полосой частот, в которой обеспечивается необходимый фазовый сдвиг между выходными сигналами. Использование такого устройства позволяет расширить полосу рабочих частот по коэффициенту эллиптичности. The emitters are excited to create circular polarization through an exciting device made in the form of a 90-degree bridge placed on the inside of the dielectric board, and the emitter serves as a screen for the 90-degree bridge. Bridges have a wide frequency band, which provides the necessary phase shift between the output signals. The use of such a device allows you to expand the operating frequency band by the ellipticity coefficient.

Возбуждение излучателей осуществляется с помощью зондов, проходящих сквозь диэлектрическую плату и соединяющих выходные линии 90-градусного моста с точкой прямоугольного излучателя, соответствующей режиму оптимального согласования выходов 90-градусного моста со входами прямоугольных излучателей. The emitters are excited using probes passing through the dielectric board and connecting the output lines of the 90-degree bridge to the point of the rectangular radiator, which corresponds to the optimal matching of the outputs of the 90-degree bridge with the inputs of rectangular radiators.

Для обеспечения широкополосного согласования выходов 90-градусного моста со входом прямоугольного излучателя используют согласующее устройство в виде диэлектрической шайбы, размещенной коаксиально между зондом и диэлектрической платой. Согласование осуществляют подбором диэлектрической проницаемости шайбы. To ensure broadband matching of the outputs of the 90-degree bridge with the input of the rectangular radiator, a matching device in the form of a dielectric washer placed coaxially between the probe and the dielectric board is used. Coordination is carried out by selection of the dielectric constant of the washer.

Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой антенны; на фиг. 2 представлена топология излучателя; на фиг. 3 - возможный вариант перфорации диэлектрика под излучателем; на фиг. 4 изображен зонд с согласующим устройством в виде диэлектрической шайбы.The invention is illustrated by drawings, where
in FIG. 1 shows a General view of the proposed antenna; in FIG. 2 shows the topology of the emitter; in FIG. 3 - a possible variant of perforation of the dielectric under the emitter; in FIG. 4 shows a probe with a matching device in the form of a dielectric washer.

Плоская антенная решетка с различными поляризациями содержит диэлектрическую плату 1, расположенную над экранирующей пластиной 2 параллельно ей на расстоянии 0,05...2,0λ. В полученном воздушном зазоре располагаются две системы питания (на фиг. не показаны), имеющие каждая свой вход и выходы, количество которых равно количеству излучателей. Выходы систем питания присоединены к соответствующим входам возбуждающего устройства 3, выполненного в виде 90-градусного моста, например моста Ланже. Системы питания могут быть выполнены как на основе полосковой, так и на основе коаксиальной линии передачи. A flat antenna array with different polarizations contains a dielectric board 1 located above the shielding plate 2 parallel to it at a distance of 0.05 ... 2.0λ. In the resulting air gap there are two power systems (not shown in Fig.), Each having its own input and outputs, the number of which is equal to the number of emitters. The outputs of the power systems are connected to the corresponding inputs of the exciting device 3, made in the form of a 90-degree bridge, such as Lange bridge. Power systems can be made both on the basis of a strip, and on the basis of a coaxial transmission line.

На внешней поверхности диэлектрической платы 1 размещены прямоугольные излучатели 4, причем стороны a прямоугольных излучателей 4 выполнены с выемками или выпуклостями, радиус которых лежит в пределах

а контуры выемок или выпуклостей выполнены по линейному или отличному от линейного закону, что позволяет расширить полосу рабочих частот Δf за счет создания в излучателе резонансных областей для этой полосы частот.Rectangular emitters 4 are placed on the outer surface of the dielectric board 1, and the sides a of the rectangular emitters 4 are made with recesses or bulges, the radius of which lies within

and the contours of the recesses or bulges are made according to a linear or different from linear law, which allows you to expand the operating frequency band Δf by creating resonant regions in the emitter for this frequency band.

На диэлектрической плате 1 непосредственно под излучателем 4 выполнены отверстия 5 (перфорация), количество и форму которых выбирают из соображения удовлетворения двум условиям: наибольшая площадь отверстий при сохранении механической прочности структуры. Отверстия снижают диэлектрическую проницаемость диэлектрического заполнения излучателя, тем самым снижаются диэлектрические потери в излучателе и расширяется полоса его рабочих частот. On the dielectric board 1, directly below the emitter 4, holes 5 (perforation) are made, the number and shape of which are chosen in order to satisfy two conditions: the largest area of the holes while maintaining the mechanical strength of the structure. Holes reduce the dielectric constant of the dielectric filling of the emitter, thereby reducing the dielectric loss in the emitter and expanding its operating frequency band.

Возбуждение прямоугольных излучателей 4 для создания круговой поляризации осуществляют через возбуждающее устройство 3 в виде 90-градусного моста, например моста Ланже, выполненного с внутренней стороны диэлектрической платы 1, причем излучатель 4 служит для возбуждающего устройства 3 экраном. The excitation of rectangular emitters 4 to create circular polarization is carried out through an exciting device 3 in the form of a 90-degree bridge, for example a Lange bridge, made on the inside of the dielectric board 1, and the emitter 4 serves as a screen for the exciting device 3.

Возбуждение прямоугольных излучателей 4 осуществляют с помощью зондов 6, выполненных в виде усеченного конуса и установленных между возбуждающим устройством 3 и прямоугольным излучателем 4. Зонды 6 проходят сквозь диэлектрическую плату 1 и соединяют выходные линии возбуждающего устройства в виде 90-градусного моста 3 с точкой прямоугольного излучателя 4, соответствующей режиму оптимального согласования выходов 90-градусного моста 3 со входами прямоугольного излучателей 4. The excitation of rectangular emitters 4 is carried out using probes 6 made in the form of a truncated cone and installed between the exciting device 3 and the rectangular radiator 4. The probes 6 pass through the dielectric board 1 and connect the output lines of the exciting device in the form of a 90-degree bridge 3 with the point of the rectangular radiator 4, corresponding to the optimal matching mode of the outputs of the 90-degree bridge 3 with the inputs of rectangular emitters 4.

Для обеспечения широкополосного согласования выходов 90-градусного моста 3 со входом прямоугольного излучателя 4 используется согласующее устройство в виде диэлектрической шайбы 7, имеющей в сечении трапецеидальную форму и размещенную коаксиально между зондом 6 и диэлектрической платой 1. Согласование осуществляется подбором диэлектрической проницаемости шайбы 7. To ensure broadband matching of the outputs of the 90-degree bridge 3 with the input of the rectangular emitter 4, a matching device in the form of a dielectric washer 7 is used, having a trapezoidal cross section and placed coaxially between the probe 6 and the dielectric board 1. Coordination is carried out by selecting the dielectric constant of the washer 7.

Плоская антенная решетка с различными поляризациями работает следующим образом. A flat antenna array with different polarizations works as follows.

Излучаемый сигнал подается во входную цепь питания антенны, где он последовательно делится и распределяется между излучателями 4 (количество излучателей в зависимости от требуемых характеристик антенны N = 2^n. Сигнал, подводимый к каждому излучателю, делится пополам и сдвигается на 90 градусов в мосту 3 и через зонды 6 сигналы подаются на прямоугольный излучатель 4 таким образом, чтобы в нем возбуждались ортогональные токи, сдвинутые по фазе на 90 градусов. В результате этого суммарный вектор излучаемого электрического поля имеет вращающийся характер. Таким образом создаются условия для излучения сигнала круговой поляризации. The emitted signal is fed to the input antenna power circuit, where it is sequentially divided and distributed between the emitters 4 (the number of emitters depending on the required characteristics of the antenna N = 2 ^ n. The signal supplied to each emitter is divided in half and shifted 90 degrees in the bridge 3 and through the probes 6, the signals are supplied to the rectangular emitter 4 in such a way that orthogonal currents 90 degrees shifted in phase are excited in it. As a result, the total vector of the radiated electric field has a rotating In this way, conditions are created for the emission of a circularly polarized signal.

Между зондом 6 и диэлектрической платой 1 коаксиально размещено согласующее устройство в виде диэлектрической шайбы 7. Изменение диэлектрической проницаемости шайбы приводит к изменению электрической длины зонда и изменяет выходное сопротивление системы "мостовое устройство-зонд". Изменением диэлектрической проницаемости шайбы можно подобрать выходное сопротивление этой системы соответствующим входному сопротивлению излучателя в широком диапазоне длин волн. Between the probe 6 and the dielectric board 1, a matching device in the form of a dielectric washer 7 is coaxially placed. Changing the dielectric constant of the washer leads to a change in the electric length of the probe and changes the output resistance of the bridge device-probe system. By changing the dielectric constant of the washer, one can choose the output impedance of this system corresponding to the input impedance of the emitter in a wide wavelength range.

Принимаемый сигнал противоположной поляризации возбуждает в прямоугольном излучателе ортогональные токи, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Через зонды эти сигналы передаются в 90-градусный мост, где они фазируются, складываются и снимаются с его приемного выхода. Затем сигналы от всех излучателей складываются в приемной системе питания и снимаются с выхода этой системы. The received signal of opposite polarization excites orthogonal currents in the rectangular radiator, 90 degrees out of phase. Through the probes, these signals are transmitted to a 90-degree bridge, where they are phased, added and removed from its receiving output. Then the signals from all emitters are added to the receiving power system and removed from the output of this system.

Таким образом, использование 90-градусного моста, имеющего два входа, для которых сдвиг фаз выходных сигналов имеет разный знак, позволяет использовать антенну на одновременный режим приема/передачи. Развязка между передаваемым и принимаемым сигналами определяется в основном развязывающими свойствами 90-градусного моста. Thus, the use of a 90-degree bridge with two inputs, for which the phase shift of the output signals has a different sign, allows the antenna to be used for simultaneous reception / transmission. The decoupling between the transmitted and received signals is determined mainly by the decoupling properties of the 90-degree bridge.

Диапазон рабочих частот описываемой антенны определяется частотными свойствами 90-градусного моста и системы излучателей. The operating frequency range of the described antenna is determined by the frequency properties of the 90-degree bridge and emitter system.

Для расширения полосы рабочих частот излучателей предлагается использовать выемки или выпуклости на контурах излучателей радиусом

причем контуры выемок или выпуклостей выполнены по линейному или отличному от линейного закону.To expand the band of operating frequencies of emitters, it is proposed to use recesses or bulges on the contours of emitters

moreover, the contours of the recesses or bulges made according to a linear or different from linear law.

Для той же цели служит воздушный зазор 8 между диэлектрической платой 1 и экранирующей пластиной 2, отверстия 5 (перфорация) диэлектрической платы 1 (фиг. 3). Использование высокодобротного диэлектрика в виде воздушного зазора снижает диэлектрические потери в излучателе, а низкое значение диэлектрической проницаемости воздуха расширяет полосу рабочих частот излучателя за счет увеличения роли краевого эффекта. For the same purpose, there is an air gap 8 between the dielectric board 1 and the shielding plate 2, holes 5 (perforation) of the dielectric board 1 (Fig. 3). The use of a high-quality dielectric in the form of an air gap reduces the dielectric loss in the radiator, and the low value of the dielectric constant of the air expands the frequency band of the radiator due to the increasing role of the edge effect.

Кроме того, полоса рабочих частот расширяется за счет взаимной связи между излучателями в решетке, определяемая межцентровым расстоянием между ними, которое составляет 0,5,...1,5 длины волны и за счет применения широкополосного согласования прямоугольного излучателя с выходами 90-градусного моста. In addition, the working frequency band expands due to the interconnection between the emitters in the array, determined by the center-to-center distance between them, which is 0.5, ... 1.5 wavelengths and through the use of broadband matching of a rectangular emitter with outputs of a 90-degree bridge .

Как было показано, предложенная конструкция антенной решетки обеспечивает расширение полосы рабочих частот решетки как по излучению, так и по коэффициенту эллиптичности. As was shown, the proposed design of the antenna array provides an extension of the operating frequency band of the array both in terms of radiation and ellipticity coefficient.

Источники информации
1. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И. Воскресенского.- М.: Радио и связь,1981,с.177-180.Sources of information
1. Antennas and microwave devices. Ed. DI. Voskresensky .- M.: Radio and Communications, 1981, p. 177-180.

2. Патент РФ N 2075259, М.кл. H 01 Q 21/24, 1997 г. - прототип. 2. RF patent N 2075259, M.cl. H 01 Q 21/24, 1997 - prototype.

Claims

1. A flat antenna array with different polarizations, containing a dielectric board, an exciting device with outputs for signals of different polarizations, two power systems for receiving / transmitting signals of different polarizations, probes, characterized in that the radiators of the antenna array are made in a rectangular shape, and directly below the rectangular ones holes are made on the dielectric board, and the exciting device is located on the inside of the dielectric board and its inputs are connected to the output m of two power systems, between the rectangular emitters and the exciting device there are probes that pass through the dielectric board and connect the output lines of the exciting device with the points of the rectangular radiator corresponding to the optimal matching mode, and between the probes and the dielectric board there are coaxial matching devices made in the form of dielectric washers.

2. The antenna array according to claim 1, characterized in that the sides of the rectangular radiator are made with recesses or bulges whose radius lies within R = 1/2 a ÷ ∞, where a is the side of the rectangular radiator.

3. The antenna array according to claim 2, characterized in that the contour of the recess or bulge is made linear or different from linear law.

4. The antenna array according to claim 1, characterized in that the exciting device is made in the form of a 90-degree bridge, such as Lange bridge.

5. The antenna array according to claim 1, characterized in that the probes are made in the form of a truncated cone.

6. The antenna array according to claim 1, characterized in that the dielectric board is parallel to the shielding plate at a distance of 0.05-2.0λ from it.

7. The antenna array according to claim 1, characterized in that the dielectric washer has a trapezoidal shape in cross section.