RU2368040C1 - Antenna assembly for global navigation satellite system (gnss) - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, communication.

SUBSTANCE: invention is related to antenna systems for GNSS and GPS applications, and, in particular to microstrip antennas (MSA), which make it possible to reduce effect of multipath reception of signals. Antenna system for operation with GNSS and GPS signals comprises body of antenna assembly with screen of around 1…1.5 of wave length, radiating plate arranged above mentioned screen and separated from each other, supply line for signal supply to radiating plate, besides screen has cavity in the form of deepening, where radiating plate is installed so that height of radiating plate above upper edge of screen makes not more than 0.05λ, of signal wave length, which will be sent or received by MSA. Linear size or diametre D of deepening cavity may be selected from

where l_p is length of radiating plate. Antenna system may be arranged as single-range or double-range with moderating structure, in the form of multiple conducting metal fins or pins arranged on radiating plate and/or screen.

EFFECT: provision of wide band of frequencies and compact antenna dimensions without growth of overall size of antenna assembly.

10 cl, 14 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к антеннами и, в частности, к микрополосковым антеннам, уменьшающим эффект многолучевого приема.The present invention relates to antennas and, in particular, to microstrip antennas, reducing the effect of multipath reception.

Микрополосковые антенны обычно характеризуются плоским элементом излучения, размещенным в непосредственной близости от экранирующей плоскости (экрана), и используются для различных целей. Такие микрополосковые антенны получили широкое распространение в силу их относительно небольшого размера и относительно низкой стоимости изготовления по сравнению с другими типами антенн.Microstrip antennas are usually characterized by a flat radiation element located in the immediate vicinity of the shielding plane (screen) and are used for various purposes. Such microstrip antennas are widespread due to their relatively small size and relatively low manufacturing cost compared to other types of antennas.

Уровень техникиState of the art

Существующие в настоящее время микрополосковые антенны (МПА) для использования в глобальной системе навигации и определения положения (GPS) или GNSS системах обычно устанавливают на экран размером ≥λ длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной. Экран предназначен для уменьшения уровня отраженного от земли сигнала. Для обеспечения работы в широкой полосе частот необходимо увеличивать высоту излучающей пластинки над экраном, что в итоге приводит к увеличению общих размеров антенны.Currently existing microstrip antennas (MPAs) for use in the global navigation and positioning system (GPS) or GNSS systems are usually mounted on a screen of size ≥λ of the wavelength of the signal to be transmitted or received by the antenna. The screen is designed to reduce the level of the signal reflected from the ground. To ensure operation in a wide frequency band, it is necessary to increase the height of the emitting plate above the screen, which ultimately leads to an increase in the overall dimensions of the antenna.

Так, на фиг.1 показана конструкция известной однодиапазонной МПА.So, figure 1 shows the construction of the known single-band MPA.

На фиг.2 показана конструкция известной многоярусной МПА, в которой высота излучающей пластинки ВЧ диапазона над экраном составляет 34 мм при длине экрана, равной 280 мм.Figure 2 shows the design of the well-known multi-tier MPA, in which the height of the radiating plate of the high frequency range above the screen is 34 mm with a screen length of 280 mm.

Известные микрополосковые антенны состоят из экранирующей плоскости (экран) 101, 201 элемента излучения (пластина) 102, 202, проводящего зонда питания 103, 203 и диэлектрика (не показан), который расположен вокруг краев пластины, чтобы отделить излучающую пластину 102, 202 от экранирующей плоскости 101, 201. Линия питания 103, 203, например, радиочастотная (RF) линия передачи, типа фидера или коаксиального кабеля связана с излучающей пластиной 102, 202, по которому сигналы RF передают к излучающей пластине 102, 202.Known microstrip antennas consist of a shielding plane (screen) 101, 201 of a radiation element (plate) 102, 202, a conductive power probe 103, 203 and a dielectric (not shown), which is located around the edges of the plate to separate the radiating plate 102, 202 from the shielding plane 101, 201. A power line 103, 203, for example, a radio frequency (RF) transmission line, such as a feeder or coaxial cable, is connected to a radiating plate 102, 202, through which RF signals are transmitted to the radiating plate 102, 202.

Так, известно, что резонансный размер пластинки МПА определяется длиной волны, распространяемой в пространстве между излучающей пластинкой 102, 202, 204 и экраном 101, 201, и составляет приблизительно половину длины волны в упомянутом пространстве. Для расширения диаграммы направленности (ДН) пространство между излучающей пластинкой 102, 202, 204 и экраном 101, 201 заполняют диэлектриком или применяют замедляющие структуры, что приводит к уменьшению длины волны в упомянутом пространстве и к уменьшению длины пластинки и расширению ДН. Полоса частот МПА определяется высотой пластинки над экраном. Для обеспечения требуемой полосы частот порядка 12% и более от центральной частоты диапазона упомянутая высота составляет порядка 0.1-0.15 длины волны в свободном пространстве.So, it is known that the resonant size of the MPA plate is determined by the wavelength propagated in the space between the radiating plate 102, 202, 204 and the screen 101, 201, and is approximately half the wavelength in the space. To expand the radiation pattern (ND), the space between the radiating plate 102, 202, 204 and the screen 101, 201 is filled with a dielectric or slowing structures are applied, which leads to a decrease in the wavelength in the space and to a decrease in the length of the plate and the expansion of the ND. The MPA frequency band is determined by the height of the plate above the screen. To ensure the required frequency band of the order of 12% or more of the center frequency of the range, the aforementioned height is of the order of 0.1-0.15 wavelength in free space.

Однако недостатком таких известных широкополосных и многоярусных МПА является увеличение интенсивности излучения в заднюю полусферу и, как следствие, нежелательное возрастание эффекта многолучевого приема при увеличении высоты излучающей пластинки над экраном. Указанный недостаток особенно остро проявляется при длинах экранов длиной порядка 1.5 длины волны в свободном пространстве. Для численной характеристики способности антенны подавлять отраженный от подстилающей поверхности сигнал на практике широко применяют отношение

. Указанная характеристика D/U(θ) равна отношению уровня ДН в задней полусфере под каким-либо углом к уровню ДН в передней полусфере под зеркальным углом.However, the disadvantage of such known broadband and multi-tier MPA is the increase in radiation intensity in the rear hemisphere and, as a consequence, the undesirable increase in the effect of multipath reception with increasing height of the emitting plate above the screen. This drawback is especially acute with screen lengths of the order of 1.5 wavelengths in free space. To numerically characterize the ability of an antenna to suppress a signal reflected from the underlying surface, the ratio

. The indicated characteristic D / U (θ) is equal to the ratio of the level of the MD in the rear hemisphere at any angle to the level of the MD in the front hemisphere at the mirror angle.

Также известен патент США 6049309 корпорации Magellan, раскрывающий микрополосковую антенну включающую: диэлектрическое основание 305; излучающий элемент 302 пластины, расположенный сверху диэлектрического основания 305; экран 301, связанный с диэлектрическим основанием 305, причем упомянутый экран 301 содержит экранирующее строение 304, которое располагается выше диэлектрического основания 305, упомянутое экранирующее строение 304 физически соединено с диэлектрическим основанием 305, но физически не входит в контакт с излучающей пластиной 302; линия питания 303 соединена с излучающей пластиной 302; и короткий соединитель, соединяющий излучающую пластину 302 и экран 301.Also known is U.S. Patent No. 6,049,309 to Magellan Corporation, disclosing a microstrip antenna including: a dielectric base 305; a plate radiating element 302 located on top of the dielectric base 305; a screen 301 associated with the dielectric base 305, said screen 301 having a shielding structure 304 that is located above the dielectric base 305, said shielding structure 304 is physically connected to the dielectric base 305, but is not physically contacted with the radiating plate 302; a power line 303 is connected to the radiating plate 302; and a short connector connecting the radiating plate 302 and the screen 301.

В известном решении на краях экрана используется часть элемента экрана 304 (в виде вертикальных бортов), которая расположена выше диэлектрического основания 305. Эти элементы экрана 304 предпочтительно сформированы около края диэлектрического основания 305. В одном варианте конструкции части элемента экрана 304 включают проводящие сквозные отверстия, размещенные около края диэлектрического основания 305 и расположенные друг от друга на определенное расстояние, которое существенно меньше, чем длина волны. Таким образом, авторы полагают, что многолучевое излучение, исходящее ниже горизонта, будет в действительности отфильтровано такой структурой элементов экрана 304.In the known solution, at the edges of the screen, a part of the screen element 304 (in the form of vertical sides) is used, which is located above the dielectric base 305. These screen elements 304 are preferably formed near the edge of the dielectric base 305. In one embodiment, the parts of the screen element 304 include conductive through holes, located near the edge of the dielectric base 305 and located from each other at a certain distance, which is significantly less than the wavelength. Thus, the authors believe that multipath radiation emanating below the horizon will in fact be filtered out by such a structure of the elements of the screen 304.

Однако недостатком указанного решения является неэффективная работа в случае широкополосного излучателя при размерах экрана порядка 1..1.5 длины волны, т.к. для обеспечения широкополосности необходимо увеличивать высоту излучателя над экраном, что в свою очередь приводит к ухудшению характеристики D/U/(θ). Также такое решение имеет достаточно сложную конструкцию.However, the disadvantage of this solution is inefficient operation in the case of a broadband emitter with screen sizes of the order of 1..1.5 wavelength, because to ensure broadband, it is necessary to increase the height of the emitter above the screen, which in turn leads to a deterioration of the characteristics D / U / (θ). Also, such a solution has a rather complicated design.

Поэтому существует потребность в преодолении этих проблем, в частности, в создании такой конструкции антенного блока с МПА, имеющего размер экрана порядка 1…1.5 длины волны, которая позволит обеспечить широкую полосу частот и, вместе с тем, повысить эффективность характеристики D/U/(θ). А также обеспечить компактные размеры антенны без увеличения общего размера антенного блока и возможность установки в корпус антенного блока приемника или передатчика заданного размера.Therefore, there is a need to overcome these problems, in particular, to create such a design of an antenna unit with MPA having a screen size of the order of 1 ... 1.5 wavelength, which will provide a wide frequency band and, at the same time, increase the efficiency of the D / U / ( θ). And also to provide compact antenna dimensions without increasing the overall size of the antenna unit and the ability to install a given size receiver or transmitter in the antenna unit housing.

Краткое изложение сущности изобретенияSummary of the invention

Согласно настоящему изобретению предложена МПА антенна в составе антенного блока, позволяющая уменьшить высоту излучающей пластинки над экраном, т.е. общую высоту антенного блока, и в то же время повысить эффективность характеристики down/up многолучевого приема сигналов и обеспечить требуемую широкополосность.According to the present invention, an MPA antenna is proposed as part of an antenna unit, which allows to reduce the height of the radiating plate above the screen, i.e. the overall height of the antenna unit, and at the same time increase the efficiency of the down / up characteristics of multipath signal reception and provide the required broadband.

Так, предложена антенная система, содержащая: корпус антенного блока с экраном, излучающую пластинку, расположенную над упомянутым экраном и пространственно отделенные друг от друга, причем экран имеет размеры от 1 до 1.5 длины волн и выполнен с полостью в виде углубления, в котором расположена излучающая пластинка, так чтобы высота излучающей пластинки над верхним краем экрана составляла порядка до 0.05λ длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной.Thus, an antenna system is proposed comprising: an antenna unit housing with a screen, a radiating plate located above said screen and spatially separated from each other, the screen having sizes from 1 to 1.5 wavelengths and made with a cavity in the form of a recess in which the radiating plate, so that the height of the radiating plate above the upper edge of the screen is on the order of 0.05λ of the wavelength of the signal that will be transmitted or received by the antenna.

Также предложена двухдиапазонная микрополосковая антенна, содержащая соосно расположенные друг над другом в одной плоскости нижнюю излучающую пластину, верхнюю излучающую пластину и экран, причем экран имеет размеры от 1 до 1.5 длины волн и выполнен с полостью в виде углубления, в котором расположены указанная нижняя и верхняя излучающие пластинки, так чтобы высота верхней излучающей пластинки над верхним краем экрана составляла не более чем 0.05λ длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной. Диаметр или размер полости углубления D предложено выбирать исходя из условия

,A dual-band microstrip antenna is also proposed, comprising a lower radiating plate, an upper radiating plate and a screen coaxially arranged one above the other, the screen having sizes from 1 to 1.5 wavelengths and made with a cavity in the form of a recess in which said lower and upper radiating plates, so that the height of the upper radiating plate above the upper edge of the screen is not more than 0.05λ of the wavelength of the signal that will be transmitted or received by the antenna. The diameter or size of the cavity of the recess D is proposed to choose based on the condition

,

где l_p-длина излучающей пластинки. В соответствии с другим вариантом конструкции излучающая пластинка расположена в углублении экрана так, чтобы по существу располагаться наравне с верхним краем углубления экрана.where l _{p is the} length of the radiating plate. According to another embodiment, the radiating plate is located in the recess of the screen so that it is substantially aligned with the upper edge of the recess of the screen.

В соответствии с вариантом конструкция МПА выполнена как МПА линейной поляризации или круговой поляризации.In accordance with an embodiment, the design of the MPA is designed as an MPA of linear polarization or circular polarization.

В соответствии с вышеуказанными вариантами конструкции пространство между экраном и излучателем может быть заполнено диэлектриком или имеет замедляющую структуру для обеспечения замедления распространения волны в виде множества проводящих металлических ребер или штырьков, имеющих определенную площадь поперечного сечения (поверхностный размер), расположенных на, по крайней мере, упомянутой излучающей пластине и/или упомянутом экране, причем упомянутые металлические ребра или штырьки электрически связаны, по крайней мере, с излучающей пластиной и/или экраном. Металлические ребра или штырьки имеют длину намного меньше (порядка <0.1λ), чем длина волны λ сигнала, который будет передан или получен антенной. Расстояние между каждым металлическим ребром или штырьком также намного меньше (порядка <0.1λ).In accordance with the above design options, the space between the screen and the emitter can be filled with a dielectric or has a slowdown structure to ensure that the wave propagation is slowed down in the form of a plurality of conductive metal ribs or pins having a certain cross-sectional area (surface size) located at least said radiating plate and / or said shield, said metal ribs or pins being electrically connected to at least a radiating her plate and / or screen. Metal ribs or pins have a length much shorter (of the order of <0.1λ) than the wavelength λ of the signal that will be transmitted or received by the antenna. The distance between each metal rib or pin is also much smaller (of the order of <0.1λ).

В соответствии с другим вариантом конструкции первая часть металлических ребер или штырьков расположена на упомянутой излучающей пластине, а вторая часть металлических ребер или штырьков расположена на упомянутом экране.According to another embodiment, the first part of the metal ribs or pins is located on said radiating plate, and the second part of the metal ribs or pins is located on said screen.

Эти и другие аспекты, конструктивные особенности и преимущества заявленного изобретения станут очевидными из следующего детального описания предпочтительных вариантов конструкции, которое должно читаться совместно с сопроводительными чертежами.These and other aspects, design features and advantages of the claimed invention will become apparent from the following detailed description of preferred design options, which should be read in conjunction with the accompanying drawings.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 показана конструкция известной однодиапазонной МПА.Figure 1 shows the construction of the well-known single-band MPA.

На фиг.2 показана конструкция известной многоярусной МПА, в которой высота Н верхней излучающей пластинки над экраном составляет 34 мм при длине экрана, равной 280 мм.Figure 2 shows the construction of the well-known multi-tiered MPA, in which the height H of the upper radiating plate above the screen is 34 mm with a screen length of 280 mm.

На фиг.3 показана конструкция известной МПА с уменьшением эффекта многолучевого приема сигнала.Figure 3 shows the construction of the known MPA with a decrease in the effect of multipath signal reception.

Фиг.4-5 показывают модель МПА в виде нити магнитного тока, расположенной на высоте H над экраном длиной L.Figures 4-5 show an MPA model in the form of a magnetic current filament located at a height H above a screen of length L.

Фиг.6-7 показывают появление провала в передней полусфере ДН и увеличение отношения D/U.6-7 show the appearance of a dip in the front hemisphere of the NAM and an increase in the D / U ratio.

Фиг.8 показывает отношение D/U (90) для направления, перпендикулярного к плоскости экрана при изменении длины экрана L для разных высот H.Fig. 8 shows the D / U ratio (90) for a direction perpendicular to the screen plane when the screen length L changes for different heights H.

Фиг.9-10 показывают ДН и отношение D/U согласно известной фиг.2 конструкции многоярусной МПА и предложенному варианту изобретения фиг.12.Fig.9-10 show the DN and the D / U ratio according to the well-known figure 2 design of a multi-tiered MPA and the proposed variant of the invention of Fig.12.

На фиг.11-11а показана конструкция МПА согласно предложенным вариантам изобретения.11-11a shows the design of the MPA according to the proposed variants of the invention.

На фиг.12 показана конструкция многоярусной МПА согласно предложенному варианту изобретения.On Fig shows the design of a multi-tiered MPA according to the proposed variant of the invention.

На фиг.13 показан вариант конструкции многоярусной МПА с замедляющей структурой и указанием соответствующих габаритных размеров в мм.On Fig shows a design variant of a multi-tiered MPA with a retarding structure and an indication of the corresponding overall dimensions in mm.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Так, известно, что полоса частот МПА определяется высотой пластинки над экраном H и чтобы обеспечить широкополосную работу МПА, высоту H необходимо увеличивать. Чтобы обеспечить полосу частот порядка 12% и более от центральной частоты диапазона, излучающая пластинка оказывается расположенной над экраном на высоте порядка 0.1…0.15λ, где λ - длина волны в свободном пространстве. Для размеров экрана L=1…1.5λ увеличение высоты излучающей пластинки над экраном свыше 0.05λ вызывает нежелательное увеличение уровня ДН в задней полусфере, а также, начиная с некоторой высоты H, приводит к возникновению провала ДН в передней полусфере. Это приводит к дальнейшему ухудшению отношения D/U(θ), причем, чем ближе длина L к 1.5λ, тем меньше H, что накладывает дополнительные ограничения на частотные свойства МПА.So, it is known that the MPA frequency band is determined by the height of the plate above the screen H and in order to ensure the broadband operation of the MPA, the height H must be increased. To ensure a frequency band of the order of 12% or more of the center frequency of the range, the emitting plate is located above the screen at a height of the order of 0.1 ... 0.15λ, where λ is the wavelength in free space. For screen sizes L = 1 ... 1.5λ, an increase in the height of the emitting plate above the screen above 0.05λ causes an undesirable increase in the level of the radiation pattern in the rear hemisphere, and also, starting from a certain height H, it leads to a dip in the radiation pattern in the front hemisphere. This leads to a further deterioration of the D / U (θ) ratio, and the closer the length L to 1.5λ, the less H, which imposes additional restrictions on the frequency properties of the MPA.

Для преодоления этих недостатков и решения указанной технической задачи рассмотрим характеристики направленности МПА, расположенной на некоторой высоте над экраном. Их можно анализировать в предположении, что поле излучения формируется щелями, которая образованы концами пластинки и экраном. В первом приближении можно положить, что резонансный размер излучающей пластинки достаточно мал, причем это справедливо для широконаправленных антенн с диэлектрической подложкой с высоким значением диэлектрической проницаемости или подложкой из искусственного диэлектрика с высоким коэффициентом замедления магнитного тока (фиг.1), расположенной в центре экрана на высоте H над экраном длиной L.To overcome these shortcomings and solve the indicated technical problem, we consider the directivity characteristics of the MPA located at a certain height above the screen. They can be analyzed under the assumption that the radiation field is formed by gaps, which are formed by the ends of the plate and the screen. As a first approximation, we can assume that the resonant size of the emitting plate is quite small, and this is true for wide-directional antennas with a dielectric substrate with a high dielectric constant or an artificial dielectric substrate with a high deceleration coefficient of magnetic current (Fig. 1) located in the center of the screen on height H over a screen of length L.

В приближениях физической оптики поле такой системы можно записать как:In the approximations of physical optics, the field of such a system can be written as:

где первое слагаемое

- поле нитевидного магнитного тока

в свободном пространстве, второе слагаемое

- поле электрического тока

, которое описывает влияние экрана, Е_е - поле элементарного электрического источника, причем ток

полагается равным току, который наводится полем источника

на бесконечном экране:where is the first term

- field of a filiform magnetic current

in free space, the second term

- electric current field

, which describes the effect of the screen, E _e is the field of an elementary electric source, and the current

assumed equal to the current induced by the source field

on the endless screen:

где

- функция Ханкеля второго рода порядка 0, W=120π - волновое сопротивление свободного пространства, U - напряжение на щели, которая описывается нитью магнитного тока,

- волновое число, x - координаты расположения точки наблюдения.Where

is the Hankel function of the second kind of order 0, W = 120π is the wave resistance of the free space, U is the voltage across the gap, which is described by the magnetic current filament,

- wave number, x - coordinates of the location of the observation point.

Тогда ДН такой системы:Then the DN of such a system:

Чтобы система эффективно излучала вверх (фиг.2), надо, чтобы поля, которые создаются источниками

и каждым элементом тока

складывались в фазе.In order for the system to radiate efficiently upward (Fig. 2), it is necessary that the fields created by the sources

and each current element

formed in phase.

Фаза наведенного электрического тока при значениях

меняется приблизительно как -

. (Здесь использована асимптотика для функции Ханкеля

(x).) Тогда разность фаз между полем j_m и полем элементов j_e(x), удаленных от начала координат на

можно приблизительно оценить как:Induced electric current phase at

changes approximately as -

. (Here we use the asymptotics for the Hankel function

(x).) Then the phase difference between the field j _m and the field of elements j _e (x), remote from the origin at

can be roughly estimated as:

Как видно из (4), увеличение высоты H приводит к нежелательному увеличению разности фаз между полями магнитного тока и элементами тока экрана, что приводит к их неоптимальному сложению и, как следствие, к ухудшению отношения D/U.As can be seen from (4), an increase in the height H leads to an undesirable increase in the phase difference between the magnetic current fields and the screen current elements, which leads to their non-optimal addition and, as a consequence, to a deterioration of the D / U ratio.

Однако так как x меняется от -

до

, то из (4) следует, что, начиная с некоторой длины L, на экране появятся участки тока

, которые будут давать поле, противофазное полю

. Появление таких участков приводит к появлению провала в передней полусфере и дальнейшему нежелательному ухудшению отношения «низ/верх».However, since x varies from -

before

, then it follows from (4) that, starting from a certain length L, current sections will appear on the screen

that will give the field an antiphase field

. The appearance of such areas leads to a dip in the front hemisphere and further undesirable deterioration of the bottom / top ratio.

Когда H мало, то такие участки появляются, начиная с

, а при увеличении высоты H противофазные участки тока появляются при меньшей длине экрана.When H is small, then such sections appear starting from

, and as the height H increases, antiphase current sections appear with a shorter screen length.

Появление провала в передней полусфере ДН и увеличение отношения D/U показано на графиках фиг.6-7.The appearance of a dip in the front hemisphere of the NAM and an increase in the D / U ratio are shown in the graphs of Fig.6-7.

На фиг.8 показано отношение D/U/(90) для направления, перпендикулярного к плоскости экрана при изменении длины экрана L для разных высот H. Значения L и H приведены в длинах волн.On Fig shows the ratio D / U / (90) for the direction perpendicular to the plane of the screen when changing the screen length L for different heights H. The values of L and H are given in wavelengths.

Согласно настоящему изобретению предложен антенный блок с МПА, в котором для обеспечения широкополосной работы излучателя предлагается использовать корпус 1105 антенного блока с экраном 1101, где имеется полость с углублением 1103 соответствующей глубины h. В указанное углубление 1103 помещена излучающая пластинка 1102, так чтобы высота H₁ излучающей пластинки 1102 над верхним краем экрана 1101 не превышала 0.05λ длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной. В такой конструкции частотные свойства, в основном, определяются высотой H, а диаграмма направленности высотой H₁ и длиной экрана L.According to the present invention, there is provided an antenna unit with MPA, in which, to ensure broadband operation of the emitter, it is proposed to use the housing 1105 of the antenna unit with a screen 1101, where there is a cavity with a recess 1103 of corresponding depth h. A radiating plate 1102 is placed in said recess 1103 so that the height H _{1 of the} radiating plate 1102 above the upper edge of the screen 1101 does not exceed 0.05λ of the wavelength of the signal to be transmitted or received by the antenna. In this design, the frequency properties are mainly determined by the height H, and the radiation pattern by the height H ₁ and the screen length L.

При подаче ВЧ сигнала на вход антенны в ней возбуждаются ВЧ колебания определенного типа, а излучение осуществляется из кромок антенны. Так, электромагнитные сигналы подведены (выведены от) к излучающей пластинке 1102 через проводник 1104 из ВЧ коаксиального кабеля, заставляют индуцировать электрические токи на пластине 1102 и на экранирующей плоскости 1101 и поляризационные токи, которые будут индуцированы в диэлектрическом основании (как вариант, он не показан), которые в свою очередь излучаются в виде электромагнитной волны в свободное пространство. Место соединения ВЧ кабеля с антенными элементами выбривается из критерия их оптимального согласования по импедансам.When an RF signal is supplied to the antenna input, RF waves of a certain type are excited in it, and radiation is carried out from the edges of the antenna. So, the electromagnetic signals are connected (output from) to the radiating plate 1102 through the conductor 1104 from the RF coaxial cable, are forced to induce electric currents on the plate 1102 and on the screening plane 1101 and polarizing currents that will be induced in the dielectric base (as an option, it is not shown ), which in turn are emitted in the form of an electromagnetic wave into free space. The junction of the RF cable with the antenna elements is shaved from the criterion for their optimal matching of impedances.

Такая конструкция позволяет обеспечить низкую высоту излучающей пластинки над экраном H₁ и при этом сохранить высоту H излучающей пластинки над экраном полости, достаточной для поддержания требуемой полосы частот. Таким образом, проведенные эксперименты показали, что погружение антенны в полость экрана с высотой излучающей пластинки над верхним краем экрана H₁ порядка до 0.05λ позволяет существенно уменьшить уровень излучения антенны в заднюю полусферу и обеспечить при этом широкополосную работу МПА.This design allows you to provide a low height of the radiating plate above the screen H ₁ and at the same time maintain the height H of the radiating plate above the cavity screen, sufficient to maintain the required frequency band. Thus, the experiments showed that immersion of the antenna in the cavity of the screen with the height of the emitting plate above the upper edge of the screen of the H ₁ order to 0.05λ can significantly reduce the radiation level of the antenna in the rear hemisphere and at the same time ensure the broadband operation of the MPA.

Как вариант изобретения, погружение излучающей пластинки в корпус антенного блока может быть на одном уровне с экраном, т.е H₁=0.As an embodiment of the invention, immersion of the radiating plate in the housing of the antenna unit may be on a par with the screen, i.e., H ₁ = 0.

Также проведенные эксперименты показали, что диаметр полости D влияет на частотные свойства антенны и его предлагается выбирать из условия, чтобы, с одной стороны, полоса частот изменилась несущественно, а с другой стороны, поддержать хорошее отношение «верх/низ». Предложено выбирать

,The experiments also showed that the diameter of the cavity D affects the frequency properties of the antenna and it is proposed to choose from the condition that, on the one hand, the frequency band changes insignificantly, and on the other hand, maintain a good up / down ratio. Suggested to choose

,

где l_p - длина излучающей пластинки. Причем

где ε_eff - эффективная диэлектрическая проницаемость подложки, и обычно l_p≤0.5λ.where l _p is the length of the radiating plate. Moreover

where ε _eff is the effective dielectric constant of the substrate, and usually l _p ≤0.5λ.

Для работы МПА в режиме круговой поляризации возбуждают поле двух ортогонально ориентированных в пространстве линейных поляризаций посредством, например, двух штырей.For the MPA to work in the circular polarization mode, a field of two linear polarizations orthogonally oriented in space is excited by means of, for example, two pins.

На фигурах 9-10 показаны экспериментальные ДН многоярусной антенны на плоском экране и экране с полостью для случая, когда возбуждается верхний излучатель, причем видно, что предложенная конструкция экрана с полостью убирает провал ДН в передней полусфере и обеспечивает значительно лучшее отношение D/U.Figures 9-10 show the experimental MDs of a multi-tiered antenna on a flat screen and a screen with a cavity for the case when the upper emitter is excited, and it can be seen that the proposed design of the screen with a cavity removes the dip in the front hemisphere and provides a significantly better D / U ratio.

Согласно настоящему изобретению также предложена двухчастотная многоярусная система, в которой на излучающей пластинке НЧ диапазона 1202 располагают излучатель для другого ВЧ диапазона 1205, таким образом, излучающая пластинка НЧ диапазона 1202 является экраном для излучающей пластинки ВЧ диапазона 1205. Для обеспечения широкополосной работы излучателей 1202, 1205 предлагается использовать корпус 1206 с экраном 1201, в котором имеется полость с углублением 1203 для размещения излучающей пластинки 1202, 1205 МПА. При сохранении общих размеров многоярусной системы высота излучающей пластинки над экраном Н₁ составляет 12 мм, при этом глубина полости h=22 мм, а ее диаметр D=105 мм, при длине экрана L=280 мм, что позволяет уменьшить высоту излучающей пластинки над экраном для сохранения размера корпуса антенны минимальным.The present invention also provides a two-frequency multi-tiered system in which an emitter for another HF band 1205 is arranged on the low-frequency radiating plate 1202, so that the low-frequency radiating plate 1202 is a screen for the high-frequency radiating plate 1205. To provide broadband operation of the radiators 1202, 1205 it is proposed to use the housing 1206 with a screen 1201, in which there is a cavity with a recess 1203 to accommodate the radiating plate 1202, 1205 MPA. While maintaining the overall dimensions of the multi-tiered system, the height of the emitting plate above the screen H ₁ is 12 mm, while the depth of the cavity h = 22 mm and its diameter D = 105 mm, with the length of the screen L = 280 mm, which reduces the height of the emitting plate above the screen to keep the antenna housing size to a minimum.

Конструкция широкополосной многоярусной антенной системы, предназначенной для работы с GNSS сигналами, представляет антенну, встраиваемую в корпус антенного блока, при заданном размере экрана 1…1.5 длины волны для обеспечения заданной высоты антенного блока, необходимой для размещения в нем преемника GPS.The design of a broadband multi-tiered antenna system designed to work with GNSS signals is an antenna that can be built into the antenna unit body at a given screen size of 1 ... 1.5 wavelengths to provide a given height of the antenna unit needed to accommodate the GPS successor.

Антенная система содержит: корпус 1307, включающий в себя экран 1301 с углублением 1303, излучающую пластинку МПА низкочастотного диапазона 1302 (1160-1300 мГц), излучающую пластинку МПА высокочастотного диапазона 1305 (1525-1610 мГц), и штыревые замедляющие структуры 1306, например, в виде набора отдельно расположенных металлических ребер или штырьков по периметру, по крайней мере, упомянутой излучающей пластины низкочастотного диапазона 1302 и/или упомянутой излучающей пластины высокочастотного диапазона 1305.The antenna system includes: a housing 1307, which includes a shield 1301 with a recess 1303, a radiating plate MPA low-frequency range 1302 (1160-1300 MHz), a radiating plate MPA high-frequency range 1305 (1525-1610 MHz), and pin retarding structures 1306, for example, in the form of a set of separately arranged metal ribs or pins around the perimeter of at least said low-frequency radiating plate 1302 and / or said high-frequency radiating plate 1305.

Причем экран имеет углубление 1203, 1303, в котором расположены упомянутые излучающие пластинки НЧ 1202, 1302 и ВЧ 1205, 1305 диапазона, так чтобы высота верхней 1205, 1305 излучающей пластинки ВЧ диапазона над экраном 1201, 1305 составляла порядка до 0.05λ длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной. Высота расположения излучающей пластинки низкочастотного диапазона 1202, 1302 выбирается известным способом, исходя из требуемой полосы частот.Moreover, the screen has a recess 1203, 1303, in which the mentioned low-frequency radiating plates 1202, 1302 and high-frequency range 1205, 1305 are located, so that the height of the upper high-frequency radiating plate 1205, 1305 of the high-frequency radiating plate above the screen 1201, 1305 is of the order of 0.05λ of the signal wavelength, which will be transmitted or received by the antenna. The height of the emitting plate of the low-frequency range 1202, 1302 is selected in a known manner, based on the desired frequency band.

Такая конструкция позволяет встроить и разместить приемник GPS в корпус антенного блока заданного размера без увеличения его габаритного размера по высоте.This design allows you to integrate and place the GPS receiver in the housing of the antenna unit of a given size without increasing its overall size in height.

В варианте конструкции с замедляющей структурой фиг.13 емкостные элементы 1306 располагают на экране 1301 и/или по всему периметру излучающей пластинки 1302, 1305. Конструктивные элементы, которые поддерживают излучающую пластинку над экраном, не показаны. Это могут быть, например, тонкие изолирующие проставки, не вносящие изменений в электрические характеристики антенны.In the embodiment with the retarding structure of FIG. 13, capacitance elements 1306 are arranged on the screen 1301 and / or around the entire perimeter of the radiating plate 1302, 1305. Structural elements that support the radiating plate above the screen are not shown. This can be, for example, thin insulating spacers that do not change the electrical characteristics of the antenna.

Таким образам, предложенная конструкция микрополосковой антенны позволяет повысить подавления отраженного от подстилающих поверхности сигнала для широкополосных или многоярусных конструкций микрополосковых антенн, расположенных на экране размера порядка 1…1.5 длины волны, не увеличивая при этом размер антенного блока, что дает дополнительное преимущество при проектировании многоярусных и многодиапазонных антенн малого размера.Thus, the proposed design of the microstrip antenna allows to increase the suppression of the signal reflected from the underlying surface of the signal for wideband or multi-tiered designs of microstrip antennas located on a screen of the order of 1 ... 1.5 wavelength, without increasing the size of the antenna unit, which gives an additional advantage when designing multi-tiered and multi-band antennas of small size.

Хотя выше были описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что они были представлены только для примера, а не для ограничения. Таким образом, охват и объем настоящего изобретения не должен ограничиваться никакими из вышеописанных иллюстративных вариантов осуществления, но должен определяться только нижеследующей формулой изобретения и ее эквивалентами.Although various embodiments of the present invention have been described above, it should be understood that they were presented by way of example only and not by way of limitation. Thus, the scope and scope of the present invention should not be limited by any of the above illustrative embodiments, but should be determined only by the following claims and their equivalents.

Claims (10)

1. Антенная система, содержащая корпус антенного блока с экраном, излучающую пластинку, расположенную над упомянутым экраном и пространственно отделенные друг от друга, а также проводник, соединенный с излучающей пластинкой для подвода сигнала, отличающаяся тем, что экран имеет размеры от 1,0 до 1,5 длин волн, и выполнен с полостью в виде углубления заданного размера, в котором расположена излучающая пластинка, так, чтобы высота излучающей пластинки над верхним краем экрана составляла не более чем 0,05λ длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной системой, а диаметр или линейный размер D полости углубления, выбирается исходя из условия

где l_p длина излучающей пластинки.1. An antenna system comprising a housing of an antenna unit with a screen, a radiating plate located above said screen and spatially separated from each other, as well as a conductor connected to the radiating plate for supplying a signal, characterized in that the screen has sizes from 1.0 to 1.5 wavelengths, and is made with a cavity in the form of a recess of a given size in which the radiating plate is located, so that the height of the radiating plate above the upper edge of the screen is not more than 0.05λ of the wavelength of the signal that will be transmitted n or obtained by the antenna system, and the diameter or linear dimension D of the cavity of the recess is selected based on the condition

where l _{p is the} length of the radiating plate. 2. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что пространство между экраном и излучающей пластинкой заполнено диэлектриком.2. The antenna system according to claim 1, characterized in that the space between the screen and the radiating plate is filled with a dielectric. 3. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что пространство между экраном и излучающей пластинкой имеет замедляющую структуру для обеспечения замедления распространения волны, выполненную в виде множества проводящих металлических ребер или штырьков, расположенных на, по крайней мере, упомянутой излучающей пластинке и/или упомянутом экране, причем упомянутые металлические ребра или штырьки электрически связаны, по крайней мере, с излучающей пластинкой и/или экраном.3. The antenna system according to claim 1, characterized in that the space between the screen and the radiating plate has a decelerating structure for slowing down the propagation of the wave, made in the form of many conductive metal ribs or pins located on at least the said radiating plate and / or said screen, wherein said metal ribs or pins are electrically connected to at least a radiating plate and / or screen. 4. Антенная система по п.3, отличающаяся тем, что упомянутые металлические ребра или штырьки имеют длину и расстояние между собой порядка <0,1 длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной системой.4. The antenna system according to claim 3, characterized in that said metal ribs or pins have a length and distance between them of the order of <0.1 wavelength of the signal that will be transmitted or received by the antenna system. 5. Антенная система по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что она выполнена для работы в режиме линейной поляризации или круговой поляризации.5. The antenna system according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is designed to operate in linear polarization or circular polarization. 6. Двухдиапазонная антенная система, содержащая корпус, соосно расположенные друг над другом нижнюю излучающую пластину, верхнюю излучающую пластину и экран, а также проводник, соединенный с упомянутыми излучающими пластинками для подвода сигнала, отличающаяся тем, что экран имеет размеры от 1,0 до 1,5 длин волн, и выполнен с полостью в виде углубления заданного размера, в котором расположены указанная нижняя и верхняя излучающие пластинки, так чтобы высота верхней излучающей пластинки над верхним краем экрана составляла не более чем 0,05λ, длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной системой, а диаметр или линейный размер D полости углубления, выбирается исходя из условия

где l_p длина излучающей пластинки.6. A dual-band antenna system comprising a housing, a lower radiating plate, an upper radiating plate and a screen coaxially arranged one above the other, and a conductor connected to said radiating plates for supplying a signal, characterized in that the screen has dimensions from 1.0 to 1 , 5 wavelengths, and is made with a cavity in the form of a recess of a given size, in which the indicated lower and upper radiating plates are located, so that the height of the upper radiating plate above the upper edge of the screen is not more than 0.05λ, for In other words, the wave of the signal that will be transmitted or received by the antenna system, and the diameter or linear dimension D of the cavity of the recess, is selected based on the condition

where l _{p is the} length of the radiating plate. 7. Двухдиапазонная антенная система по п.6, отличающаяся тем, что пространство между экраном и упомянутыми излучающими пластинками, заполнено диэлектриком.7. The dual-band antenna system according to claim 6, characterized in that the space between the screen and said radiating plates is filled with a dielectric. 8. Двухдиапазонная антенная система по п.6, отличающаяся тем, что пространство между экраном и излучающей пластинкой имеет замедляющую структуру для обеспечения замедления распространения волны в виде множества проводящих металлических ребер или штырьков, расположенных на, по крайней мере, упомянутой излучающей пластине, и/или упомянутом экране, причем упомянутые металлические ребра или штырьки электрически связаны, по крайней мере, с излучающей пластинкой и/или экраном.8. The dual-band antenna system according to claim 6, characterized in that the space between the screen and the radiating plate has a slowdown structure to ensure that the wave propagation is slowed down in the form of a plurality of conductive metal ribs or pins located on at least said radiating plate, and / or said screen, wherein said metal ribs or pins are electrically connected to at least a radiating plate and / or screen. 9. Двухдиапазонная антенная система по п.8, отличающаяся тем, что упомянутые металлические ребра или штырьки имеют длину и расстояние между собой порядка <0,1 длины волны сигнала, который будет передан или получен антенной.9. The dual-band antenna system of claim 8, characterized in that said metal ribs or pins have a length and distance between them of the order of <0.1 wavelength of the signal to be transmitted or received by the antenna. 10. Двухдиапазонная антенная система по любому из пп.6-9, отличающаяся тем, что она выполнена для работы в режиме линейной поляризации или круговой поляризации. 10. The dual-band antenna system according to any one of claims 6 to 9, characterized in that it is designed to operate in linear polarization or circular polarization.

Images