RU198462U1 - Resonator antenna - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве всеволновой приемной, передающей или приемопередающей антенны в глобальной навигационной спутниковой системе (ГНСС). В предлагаемом устройстве решается задача уменьшения горизонтального размера антенны и упрощение конструкции. Для решения данной задачи антенна снабжена диэлектрическим слоем полусферической формы, установленным на основании так, что антенный элемент находится в полости между основанием и диэлектрическим слоем. Диэлектрическая проницаемость и размеры слоя выбраны из условия резонанса в полости на средней частоте рабочей полосы частот, что позволяет уменьшить размеры антенны. В то же время, диэлектрический слой, являясь частью резонаторной антенны, выполняет также роль защитного корпуса, что позволяет обойтись без защитной радиопрозрачной крышки. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.The utility model relates to antenna technology and can be used as an all-wave receiving, transmitting or transmitting antenna in the global navigation satellite system (GNSS). The proposed device solves the problem of reducing the horizontal size of the antenna and simplifying the design. To solve this problem, the antenna is equipped with a hemispherical dielectric layer installed on the base so that the antenna element is located in the cavity between the base and the dielectric layer. The dielectric constant and the dimensions of the layer are selected from the condition of resonance in the cavity at the middle frequency of the operating frequency band, which makes it possible to reduce the size of the antenna. At the same time, the dielectric layer, being part of the resonator antenna, also serves as a protective case, which makes it possible to do without a protective radio-transparent cover. 1 wp f-crystals, 1 tab., 4 dwg

Description

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве всеволновой приемной, передающей или приемопередающей антенны в глобальной навигационной спутниковой системе (ГНСС). The utility model relates to antenna technology and can be used as an all-wave receiving, transmitting or transmitting antenna in the global navigation satellite system (GNSS).

Антенны указанного назначения должны удовлетворять следующим требованиям: Antennas for this purpose must satisfy the following requirements:

- рабочая полоса частот состоит из двух диапазонов: низкочастотного 1150 - 1300 МГц (НЧ - диапазон) и высокочастотного 1545 – 1610 МГц (ВЧ - диапазон);- the working frequency band consists of two ranges: low-frequency 1150 - 1300 MHz (low-frequency range) and high-frequency 1545 - 1610 MHz (high-frequency range);

- диаграмма направленности в верхнем полупространстве должна быть близка к изотропной, а в нижнем полупространстве уровень излучения должен быть минимальным; - the radiation pattern in the upper half-space should be close to isotropic, and in the lower half-space the radiation level should be minimal;

- поляризация излученной волны в верхнем полупространстве – правая круговая;- polarization of the emitted wave in the upper half-space - right circular;

- уровень согласования: КСВ (коэффициент стоячей волны) < 2; - level of coordination: SWR (standing wave coefficient) <2;

- при использовании антенны в системе точного позиционирования фазовая диаграмма направленности, как функция зенитного угла, должна быть близка к константе;- when using the antenna in an accurate positioning system, the phase radiation pattern, as a function of the zenith angle, should be close to a constant;

- антенна должна иметь небольшие габариты, а в наружном варианте – прочный влагонепроницаемый корпус (Татарников Д.В., Астахов А.В., Степаненко А.П., Шаматульский П.П., Емельянов С.Н. Антенные технологии высокоточного спутникового позиционирования // Антенны. 2016.№ 10. – С. 77-91). - the antenna should have small dimensions, and in the external version - a durable waterproof housing (Tatarnikov D.V., Astakhov A.V., Stepanenko A.P., Shamatulsky P.P., Emelyanov S.N. Antenna technologies for high-precision satellite positioning // Antennas. 2016.№ 10. - S. 77-91).

Известна всеволновая антенна для ГНСС с антенным элементом полусферической формы (RU № 2380799, МПК HO1Q 3/26, опубл. 27.01.2010).Known all-wave antenna for GNSS with a hemispherical antenna element (RU No. 2380799, IPC HO1Q 3/26, publ. 01.27.2010).

Недостатками известной антенны являются большой горизонтальный размер (150 мм) и необходимость использования защитной крышки, которая должна быть радиопрозрачной и, в то же время, прочной и влагостойкой.The disadvantages of the known antenna are the large horizontal size (150 mm) and the need to use a protective cover, which must be radio-transparent and, at the same time, durable and moisture resistant.

Известна резонаторная антенна с диэлектрическим корпусом полусферической формы. Диэлектрический корпус является частью антенны, в то же время он позволяет уменьшить ее размеры и защитить антенные элементы, расположенные в полости корпуса, от внешних воздействий. (Handbook of Antenna Technologies // Ed. Zhi Ning Chen. Springer Science Business Media Singapore. 2016. P. 955). A resonator antenna with a hemispherical dielectric body is known. The dielectric casing is part of the antenna, while at the same time it allows to reduce its size and protect the antenna elements located in the cavity of the casing from external influences. (Handbook of Antenna Technologies // Ed. Zhi Ning Chen. Springer Science Business Media Singapore. 2016. P. 955).

Недостатком данной резонаторной антенны является то, что она не удовлетворяет требованиям, необходимым для спутниковой навигации.The disadvantage of this resonant antenna is that it does not satisfy the requirements necessary for satellite navigation.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является всеволновая антенна для ГНСС, состоящая из основания, установленного на нем усеченного полого диэлектрического конуса, металлического антенного элемента, расположенного на вершине указанного диэлектрического конуса. Для получения амплитудно-фазового распределения, необходимого для излучения волны круговой поляризации, антенный элемент, имеющий форму диска, соединен четырьмя проводниками с расположенной на нижней стороне основания печатной платой, в центре которой находится четырехканальная суммирующая микросхема (RU № 2620195, МПК HO1Q 5/10, опубл. 23.05. 2017). Closest to the proposed utility model is an all-wave antenna for GNSS, consisting of a base, a truncated hollow dielectric cone mounted on it, a metal antenna element located on top of the specified dielectric cone. To obtain the amplitude-phase distribution necessary for the emission of a circularly polarized wave, the disk-shaped antenna element is connected by four conductors to a printed circuit board located on the lower side of the base, in the center of which is a four-channel summing microcircuit (RU No. 2620195, IPC HO1Q 5/10 , published on May 23, 2017).

Недостатком известной антенны являются большой горизонтальный размер (120 мм), а также необходимость использования радиопрозрачной защитной крышки, которая усложняет конструкцию антенны. A disadvantage of the known antenna is the large horizontal size (120 mm), as well as the need to use a radio-transparent protective cover, which complicates the design of the antenna.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является уменьшение горизонтального размера антенны и упрощение конструкции. Указанный технический результат достигается следующим образом. Резонаторная антенна, состоящая из металлического основания, имеющего форму круглого диска, и расположенного над ним металлического антенного элемента такой же формы, соединенного четырьмя проводниками с печатной платой, расположенной на нижней стороне основания, снабжена диэлектрическим слоем полусферической формы, установленным на основании соосно ему так, что антенный элемент находится в полости между основанием и диэлектрическим слоем.The technical result of the proposed utility model is to reduce the horizontal size of the antenna and simplify the design. The specified technical result is achieved as follows. The resonator antenna, consisting of a metal base having the shape of a circular disk and a metal antenna element located above it, of the same shape, connected by four conductors to a printed circuit board located on the lower side of the base, is equipped with a hemispherical dielectric layer mounted on the base coaxially with it, that the antenna element is in the cavity between the base and the dielectric layer.

Для достижения указанного технического результата в антенну введен диэлектрический слой полусферической формы, в полости которого находится антенный элемент, что существенно отличает предлагаемую антенну от прототипа, где антенный элемент установлен на вершине диэлектрического конуса. Численное значение диэлектрической проницаемости и размеры диэлектрического слоя выбраны из условия резонанса в полости на средней частоте рабочей полосы частот. Явление резонанса позволяет уменьшить размеры антенны. Материал диэлектрического слоя выбран из условия малых потерь, механической прочности и влагостойкости, следовательно, диэлектрический слой, являясь частью резонаторной антенны, выполняет также роль защитного корпуса. To achieve the indicated technical result, a hemispherical dielectric layer is introduced into the antenna, in the cavity of which there is an antenna element, which significantly distinguishes the proposed antenna from the prototype, where the antenna element is mounted on top of a dielectric cone. The numerical value of the dielectric constant and the dimensions of the dielectric layer are selected from the resonance conditions in the cavity at the middle frequency of the working frequency band. The resonance phenomenon reduces the size of the antenna. The material of the dielectric layer is selected from the conditions of small losses, mechanical strength and moisture resistance, therefore, the dielectric layer, being part of the resonator antenna, also acts as a protective casing.

Описание фигур:Description of figures:

фиг. 1 - вид резонаторной антенны в вертикальном сечении;FIG. 1 is a vertical sectional view of a resonator antenna;

фиг. 2 - вид снизу резонаторной антенны;FIG. 2 is a bottom view of a resonator antenna;

фиг. 3 - график КСВ резонаторной антенны;FIG. 3 is a graph of the SWR of a resonator antenna;

фиг. 4 - диаграммы направленности в вертикальной плоскости.FIG. 4 - radiation patterns in the vertical plane.

Обозначения на фиг. 1-2:The notation in FIG. 1-2:

1 – основание;1 - base;

2 - антенный элемент;2 - antenna element;

3 – соединительные проводники;3 - connecting conductors;

4 - диэлектрический слой;4 - dielectric layer;

5 - печатная плата;5 - printed circuit board;

6 - четырехканальная суммирующая микросхема;6 - four-channel summing microcircuit;

7 - входной разъем антенны.7 - input connector of the antenna.

Резонаторная антенна состоит из основания 1, антенного элемента 2, четырех соединительных проводников 3, диэлектрического слоя 4, печатной платы 5, в центре которой находится четырехканальная суммирующая микросхема 6, выходы которой соединены 50 – омными полосковыми проводниками одинаковой длины с проводниками 3, а вход микросхемы 6 соединен с входным разъемом антенны 7. The resonator antenna consists of a base 1, an antenna element 2, four connecting conductors 3, a dielectric layer 4, a printed circuit board 5, in the center of which is a four-channel summing microcircuit 6, the outputs of which are connected by 50-ohm strip conductors of the same length with conductors 3, and the input of the microcircuit 6 is connected to the input connector of the antenna 7.

Четыре проводника 3 своими верхними концами соединены с антенным элементом 2 в точках, расположенных на периферии элемента 2 с периодом 90º , а своими нижними концами соединены с печатной платой 5. Проводники 3 выполнены в виде тонких однородных стержней и являются креплением и опорой для антенного элемента 2.Four conductors 3 with their upper ends are connected to the antenna element 2 at points located on the periphery of the element 2 with a period of 90º, and with their lower ends are connected to the printed circuit board 5. The conductors 3 are made in the form of thin uniform rods and are a mount and support for the antenna element 2 .

Предлагаемая антенна в режиме передачи работает следующим образом. Микросхема 6 создает равномерное амплитудное и квадратурное фазовое распределение мощности между проводниками 3. В результате антенный элемент 2 возбуждается в четырёх равноудалённых точках токами, имеющими одинаковые амплитуды, а фазы соответственно 0º, 90º, 180º, 270º. Такое возбуждение создаёт на антенном элементе 2 кольцевую бегущую волну тока, которая излучает волну эллиптической поляризации (Курдюмов О.А., Сагач В.Е. Антенны эллиптической поляризации в спутниковой навигации и телеметрии / Под ред. Ю.С. Яскина. - М.: Радиотехника, 2018. – С. 81). The proposed antenna in transmission mode operates as follows. Microcircuit 6 creates a uniform amplitude and quadrature phase power distribution between the conductors 3. As a result, the antenna element 2 is excited at four equidistant points by currents having the same amplitudes, and the phases are 0º, 90º, 180º, 270º, respectively. Such excitation creates an annular running current wave on antenna element 2, which emits an elliptical polarization wave (Kurdyumov O.A., Sagach V.E. Antennas of elliptical polarization in satellite navigation and telemetry / Edited by Yu.S. Yaskin. - M. : Radio Engineering, 2018 .-- S. 81).

При проектировании опытного образца предлагаемой антенны выбирались следующие параметры. Для диэлектрического слоя 4 использовался материал флан-10 с параметрами

, где

- диэлектрическая проницаемость;

- тангенс угла диэлектрических потерь. Внешний и внутренний радиусы слоя 4 равны соответственно 42 мм и 27 мм; Диаметр основания 1 равен 96 мм; диаметр антенного элемента 2 равен 47 мм, его расстояние до основания 1 равно 13 мм; диаметр проводников 3 равен 1 мм. В качестве микросхемы 6 использована такая же, как и в прототипе, четырёхканальная суммирующая микросхема типа SCQA-4-162, представляющая собой квадратурный делитель (сумматор).When designing a prototype of the proposed antenna, the following parameters were selected. For dielectric layer 4, we used flan-10 material with parameters

where

- the dielectric constant;

- dielectric loss tangent. The outer and inner radii of layer 4 are 42 mm and 27 mm, respectively; The diameter of the base 1 is 96 mm; the diameter of the antenna element 2 is 47 mm, its distance to the base 1 is 13 mm; the diameter of the conductors 3 is 1 mm. As microcircuit 6, the same as in the prototype, a four-channel summing microcircuit of the SCQA-4-162 type, which is a quadrature divider (adder), was used.

Характеристики предлагаемой антенны, приведенные на фиг. 3–4 и в таблице 1, указывают на возможность использования предлагаемой полезной модели в качестве всеволновой антенны в системе ГНСС. Допуски на указанные размеры в пределах

1 мм практически не изменяют приведенные характеристики. The characteristics of the proposed antenna shown in FIG. 3-4 and in table 1, indicate the possibility of using the proposed utility model as an all-wave antenna in the GNSS system. Tolerances on the specified sizes within

1 mm practically do not change the given characteristics.

Предлагаемая антенна имеет меньший горизонтальный размер, равный 96 мм, по сравнению с прототипом (120 мм). Ещё одно преимущество данной полезной модели – отсутствие защитной крышки, которая в прототипе и в других аналогах устанавливается на верхнюю часть антенны. В предлагаемой антенне функцию защиты выполняет диэлектрический слой, который является частью антенны и, в то же время, обладает достаточной механической прочностью и водостойкостью. Отсутствие защитной крышки упрощает конструкцию предлагаемой полезной модели. The proposed antenna has a smaller horizontal size equal to 96 mm, compared with the prototype (120 mm). Another advantage of this utility model is the absence of a protective cover, which in the prototype and in other analogs is mounted on the top of the antenna. In the proposed antenna, the protective function is performed by the dielectric layer, which is part of the antenna and, at the same time, has sufficient mechanical strength and water resistance. The absence of a protective cover simplifies the design of the proposed utility model.

Claims (2)

1. Резонаторная антенна, состоящая из металлического основания, расположенного над ним антенного элемента, имеющего форму тонкого металлического диска, четырех проводников, которые своими верхними концами соединены с антенным элементом в точках, расположенных на его периферии с периодом 90º, а своими нижними концами соединены с печатной платой, расположенной на нижней стороне основания, причем в центре печатной платы находится четырехканальная суммирующая микросхема, выходы которой соединены с нижними концами проводников, а вход микросхемы соединен с входным разъемом антенны, отличающаяся тем, что антенна снабжена диэлектрическим слоем полусферической формы, установленным на основании соосно ему так, что антенный элемент находится в полости, образованной диэлектрическим слоем и основанием.1. The resonator antenna, consisting of a metal base, an antenna element located above it, having the form of a thin metal disk, four conductors, which are connected with their upper ends to the antenna element at points located on its periphery with a period of 90º, and connected with their lower ends to a printed circuit board located on the lower side of the base, and in the center of the printed circuit board there is a four-channel summing microcircuit, the outputs of which are connected to the lower ends of the conductors, and the input of the microcircuit is connected to the input connector of the antenna, characterized in that the antenna is equipped with a hemispherical dielectric layer mounted on the base coaxial to it so that the antenna element is located in the cavity formed by the dielectric layer and the base. 2. Резонаторная антенна по п.1, отличающаяся тем, что соединительные проводники выполнены в виде тонких однородных стержней и являются креплением и опорой для антенного элемента. 2. The resonator antenna according to claim 1, characterized in that the connecting conductors are made in the form of thin homogeneous rods and are a mount and support for the antenna element.

Images