Патент на изобретение №2295809

(54) ПЕЧАТНАЯ АНТЕННА С ПИТАНИЕМ ОТ КОММУТАЦИОННОГО ПОЛЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к печатным антеннам с двойной поляризацией с питанием от расположенного на печатной плате коммутационного поля. Технический результат заключается в исключении паразитного излучения и в обеспечении возможности работы в широком диапазоне частот. Сущность изобретения состоит в том, что печатная антенна, имеющая, по меньшей мере, один заземленный слой с излучающим отверстием, под которым расположен изолированный от него диэлектрическим слоем проводящий слой с полем питания излучателя антенны, которое связано с излучающим отверстием и выполнено симметричным относительно своей оси и соединено с двумя расположенными симметрично относительно этой оси линиями питания. Линии питания при одновременном питании поля питания в фазе или противофазе позволяют получить два направления поляризации антенны. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 12 ил.

Настоящее изобретение относится к печатным антеннам с питанием от коммутационного поля печатной платы. Изобретение относится, в частности, к печатным антеннам с двойной поляризацией и к антенным решеткам с такими антеннами.

Печатные антенны (антенны на печатных схемах) имеют небольшой вес и небольшие размеры. Такие антенны можно изготавливать большими партиями, и поэтому они имеют низкую стоимость. Печатные антенны используются в различных целях, например для приема телевизионных сигналов, передаваемых через спутники (приемная антенна), в качестве бортовых антенн на спутниках, самолетах или ракетах и для портативного оборудования, например в портативных радарах или радиозондах.

Обычно печатная антенна состоит из большого количества (пакета) различных слоев. Верхний слой пакета является излучающим слоем. Излучающий слой состоит из одного или нескольких излучающих элементов. Излучающие элементы излучающего слоя антенны образованы соответствующими проводящими полями печатной платы и имеют обычно квадратную, прямоугольную или круглую форму. Под излучающим слоем антенны расположен заземленный слой, отделенный от излучающего слоя одним или несколькими диэлектрическими слоями. Заземленный слой служит антенным зеркалом или отражателем, ограничивающим распространение излучаемых антенной волн в расположенное перед ним пространство. Диэлектрическим слоем может служить воздух или соответствующая подложка, например из пенопласта.

Излучающий элемент антенны (поле печатной платы) можно запитывать различными методами. Обычно для этой цели используют либо микрополосковую линию питания (шину), которую соединяют с расположенным на печатной плате излучающим элементом (полем), либо коаксиальную линию питания, внутренний проводник которой крепят к излучающему полю, а наружный соединяют с расположенным на печатной плате заземленным слоем, либо микрополосковую линейную связь с микрополосковой линией, расположенной между излучающим полем и заземленным слоем, либо апертурную/щелевую связь с линией питания, расположенной под отверстием в заземленном слое и изолированной от него диэлектрическим слоем. Линию питания можно экранировать расположенным под ней дополнительным заземленным слоем, образующим трехслойную (“полосковую”) линию.

Микрополосковые и коаксиальные линии питания обладают определенной асимметрией, и возникающие в них волны высокого порядка создают поперечно поляризованное излучение. Микрополосковая линейная связь может быть симметричной, однако более дорогой и связанной с определенными потерями и различными проблемами схемного характера, особенно в антенных решетках.

Перечисленные выше проблемы решаются за счет применения апертурной/щелевой связи. При использовании такой связи возникают проблемы, которые связаны с питанием самого излучающего отверстия. Известно, что связь между линией и излучающим отверстием сопровождается возникновением паразитного (пассивного) излучения. Наличие такого паразитного излучение особенно нежелательно в антенных решетках, в которых оно может вызвать паразитную связь между излучающими элементами. Кроме того, такие антенны имеют узкую полосу пропускания и небольшой диапазон рабочих частот.

В антеннах с двумя направлениями поляризации питание осуществляется достаточно сложным и дорогим способом, поскольку линии питания в таких антеннах должны быть изолированы друг от друга в любой точке их взаимного пересечения. Антенна такого типа описана, например, в патенте US 5448250. В этой антенне линии питания изолированы в местах пересечения изолирующими перемычками. Имеющая такую конструкцию схема питания излучающего элемента антенны не лежит в одной плоскости, является несимметричной, сложной в изготовлении и дорогой. Кроме того, в местах пересечения двух линий питания может образоваться паразитная связь. В такой антенне, кроме того, возникает проблема, связанная с необходимостью создания изоляции на участке между двумя соединительными точками, соответствующими двум направлениям поляризации антенны.

В основу настоящего изобретения была положена задача прежде всего устранить недостатки, присущие известным печатным антеннам. Задача настоящего изобретения состояла, в частности, в разработке печатной антенны с эффективным питанием активного элемента, исключающим возникновение паразитного излучения и обеспечивающим возможность работы антенны в широком диапазоне частот.

Для решения этой задачи в настоящем изобретении предлагается антенна, содержащая:

а) проводящий заземленный слой с излучающим отверстием (апертурой), направляющим излучение в пространство, расположенное над заземленным слоем,

б) расположенное под излучающим отверстием изолированное диэлектрическим слоем проводящее расположенное на печатной плате коммутационное поле питания, которое связано с излучающим отверстием и питает его без паразитного излучения.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения вертикальная проекция излучающего отверстия по существу окружена расположенным на печатной плате полем питания излучателя.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения предлагаемая в нем антенна имеет также:

в) расположенный под полем питания излучателя изолированный диэлектрическим слоем второй проводящий заземленный слой, который вместе с полем питания образует трехслойную структуру.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения предлагаемая в нем антенна имеет также:

г) одно или несколько расположенных над излучающим отверстием изолированных одним или несколькими диэлектрическим слоями проводящих излучающих полей, которые связаны с излучающим отверстием, направляющим излучение в расположенное над ним пространство.

Настоящее изобретение относится также к антеннам с двумя направлениями поляризации. В предлагаемой в предпочтительном варианте осуществления изобретения антенне с двумя направлениями поляризации используется расположенное на печатной плате симметричное относительно своей оси коммутационное поле питания излучателя, которое соединено с двумя расположенными симметрично относительной этой оси линиями питания и при одновременном питании в фазе или противофазе позволяет получить два направления поляризации антенны.

В этом варианте осуществления изобретения используется по существу квадратное расположенное на печатной плате коммутационное поле питания излучателя и две линии питания, соединенные с двумя соседними сторонами квадрата. Такая схема обеспечивает возможность создания антенны с двумя линейными взаимно перпендикулярными направлениями поляризации с высокой чистотой поляризации.

В такой антенне линии питания предпочтительно соединены с двойным волноводным тройником, суммирующие и дифференциальные входы которого образуют входы независимо для каждой поляризации. Такая схема позволяет улучшить изоляцию между двумя соответствующими входами для двух направлений поляризации. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения используется двойной волноводный тройник типа гибридного (мостового) кольцевого соединения или гибридного кольца.

Настоящее изобретение относится также к антенным решеткам по меньшей мере с двумя описанными выше антеннами, выполненными целиком или частично в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления изобретения.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения предлагаемая в нем антенная решетка содержит схему питания, напечатанную на одной поверхности с расположенными на печатной плате коммутационными полями питания излучающих элементов антенной решетки. В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения предлагаемая в нем антенная решетка имеет схему питания, которая напечатана не на той же поверхности, что и поля питания, которые отделены от нее диэлектрическим слоем, заземленным слоем и другим диэлектрическим слоем, расположенным на другой стороне заземленного слоя, и соединена с полями питания вертикальными соединителями, которые проходят через заземленный слой и диэлектрические слои. Вертикальные соединители предпочтительно выполнены экранированными.

К основным преимуществам предлагаемой в изобретении антенны (антенной решетки) относятся простота изготовления, блочная (модульная) конструкция и низкая стоимость.

Другие отличительные особенности и преимущества изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере одного из возможных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 – поэлементное аксонометрическое изображение выполненной по предпочтительному варианту предлагаемой в изобретении печатной антенны в разобранном виде;

на фиг.2 – вид сверху элементов антенны, показанных на фиг.1,

на фиг.3 и 4 – схемы, на которых показаны направления движения токов и полярность наведенных напряжений в показанном на фиг.2 расположенном на печатной плате поле питания излучателя предлагаемой в изобретении антенны,

на фиг.5 – две кривые, на которых показано изменение величин коэффициентов ковариационной матрицы антенны, показанной на фиг.1, в зависимости от частоты,

на фиг.6 – поэлементное аксонометрическое изображение выполненной по предпочтительному варианту предлагаемой в изобретении антенной решетки,

на фиг.7 – поэлементное аксонометрическое изображение выполненной по предпочтительному варианту предлагаемой в изобретении печатной антенны, у которой линии питания соединены в двойной волноводный тройник типа гибридного (мостового) кольцевого соединения или гибридного кольца,

на фиг.8 – вид сверху элементов антенны, показанных на фиг.7,

на фиг.9 – поэлементное аксонометрическое изображение отдельных деталей антенны, показанной на фиг.7,

на фиг.10 – две кривые, на которых показано изменение амплитуды коэффициентов ковариационной матрицы антенны, показанной на фиг.7, в зависимости от частоты,

на фиг.11 – вид сверху одного из элементов антенной решетки, показанной на фиг.12, и

на фиг.12 – вид сверху, на котором показаны два слоя, которые соответствуют предпочтительному варианту выполнения предлагаемой в изобретении антенной решетки и образуют печатную схему питания антенной решетки, частично напечатанную на том же слое, на котором расположены поля питания, а частично – на том слое, на котором расположены гибридные кольца (двойные волноводные тройники).

В приведенном ниже описании рассмотрена печатная антенна с двумя взаимно перпендикулярными направлениями поляризации. Очевидно, однако, что изобретение относится и к другим типам антенн. Простейшей из них является антенна только с одним направлением поляризации. На базе такой антенны антенну с круговой поляризацией можно создать достаточно просто путем поворота фазы на 90° в одном из направлений поляризации.

Показанная на фиг.1 и 2 выполненная в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения печатная антенна имеет по меньшей мере:

а) один проводящий заземленный слой 3 с излучающим отверстием (излучающей апертурой) 4, направляющим излучаемые антенной волны в пространство, расположенное над заземленным слоем,

б) одно расположенное под излучающим отверстием 4 и изолированное диэлектрическим слоем 5 расположенное на печатной плате проводящее коммутационное поле 6 питания излучателя, которое связано с излучающим отверстием и питает его без появления паразитного излучения.

Излучающее отверстие 4 выполнено в заземленном слое 3 в виде креста, образованного двумя щелями 4а и 4b. Обе расположенные перпендикулярно друг другу и пересекающиеся посредине щели могут иметь одну и ту же длину и ширину. Длина щелей может составлять, например, 44 мм, а ширина – 4 мм.

При питании излучающего отверстия 4 от поля печатной платы, а не от отдельных линий питания исключается возможность возникновения паразитного излучения и любой связи между линиями питания. Для этого размеры поля питания должны соответствовать размерам излучающего отверстия 4. Увеличение размеров поля 6 питания снижает паразитное излучение, возникающее на его краях. В предпочтительном варианте осуществления изобретения вертикальная проекция излучающего отверстия 4 по существу не выходит за пределы поля 6 питания.

Выбор размеров излучающего отверстия 4 и поля 6 питания зависит от полосы частот, на которых работает антенна. В этой связи необходимо отметить, что настоящее изобретение позволяет по сравнению с известными решениями при тех же самых размерах расширить диапазон рабочих частот антенны.

Расположенное на печатной плате поле питания излучателя антенны может иметь, например, квадратную форму. Боковые стороны такого квадрата могут или должны быть расположены параллельно двум взаимно перпендикулярным щелям, образующим крестовидное излучающее отверстие 4. В горизонтальной плоскости центральные точки квадрата 6 и креста 4 должны совпадать друг с другом. Длина каждой стороны квадрата может составлять, например, 56 мм.

Предлагаемая в изобретении антенна дополнительно может иметь:

в) расположенный под полем 6 питания излучателя и изолированный диэлектрическим слоем 8 второй проводящий заземленный слой 9, который вместе с полем питания образует трехслойную структуру.

Наличие второго заземленного слоя обеспечивает возможность отражения излучаемых антенной волн в расположенное над ним пространство и позволяет расширить возможности (увеличить коэффициент полезного действия) антенны. Второй заземленный слой, кроме того, служит защитой между полями питания и любыми расположенными под ними слоями.

Диэлектрическими слоями 5 и 8 может служить воздух или любой изоляционный материал, например пенопласт. В качестве пенопласта можно использовать листовой пенопласт толщиной около 3 мм с диэлектрической проницаемостью, равной 1,06.

Предлагаемая в изобретении антенна может также иметь:

г) одно или несколько расположенных над излучающим отверстием и изолированных диэлектрическим слоями проводящих излучающих полей печатной платы, связанных с излучающим отверстием и направляющих излучение антенны в расположенное над ними пространство.

Антенна, показанная на фиг.1, имеет 7 слоев, в том числе 4 проводящих слоя и 3 диэлектрических слоя. Сверху вниз эти слои расположены в следующем порядке:

– проводящий слой, образованный проводящим излучающим полем 1 печатной платы антенны,

– диэлектрический слой 2,

– проводящий слой, образованный заземленным слоем 3, в котором выполнено излучающее отверстие (апертура) 4,

– диэлектрический слой 5,

– проводящий слой, образованный расположенным на печатной плате проводящим полем 6 питания излучателя,

– диэлектрический слой 8 и

– проводящий слой, образованный вторым заземленным слоем 9.

Для повышения чистоты поляризации излучающее поле 1 печатной платы должно иметь форму квадрата. Размеры этого поля должны соответствовать резонансной частоте антенны.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения вертикальная проекция излучающего отверстия (апертуры) по существу находится внутри расположенного на печатной плате поля питания излучателя антенны. Длина стороны квадратного излучающего поля 1 может составлять, например, 48 мм, а диэлектрический слой 2, изготовленный, например, из пенопласта, может иметь толщину, равную 10 мм, и диэлектрическую проницаемость, равную 1,06.

Для расширения полосы рабочих частот антенны можно использовать несколько излучающих полей одного и того же типа, предпочтительно образующих один многослойный пакет с первым излучающим полем 1. Очевидно, что излучающие поля должны быть отделены друг от друга слоями диэлектрика.

Расположенное на печатной плате поле 6 питания излучателя можно соединить с двумя линиями 7а и 7b питания. Входы Р₁ и Р₂ линий 7а и 7b питания можно использовать в качестве точек питания антенны. Входы линий питания, или точки Р₁ и Р₂ питания, антенны можно, например, соединить соответствующим проводником (не показан) с коаксиальным кабелем.

Как показано на фиг.3 и 4, в предпочтительном варианте осуществления изобретения линии 7а и 7b питания расположены симметрично относительно оси А симметрии расположенного на печатной плате поля 6 питания излучателя антенны. Одновременная подача тока в линии питания позволяет получить по-разному поляризованное электрическое поле. Как показано на фиг.3, при совпадении фаз и амплитуд подаваемого в линии питания тока получают первичную поляризацию Е _{(поляризацию электрического поля), известную как параллельная поляризация. Поверхностные токи при такой поляризации электрического поля изображены на фиг.3 пунктирными линиями, симметричными относительно оси А. Поэтому полученная поляризация параллельна оси А симметрии. При подаче в линии питания тока в противофазе, как это показано на фиг.4, получают вторую поляризацию электрического поля Е, известную как перпендикулярная поляризация. Поверхностные токи при такой поляризации электрического поля пересекают ось А симметрии под прямыми углами. Иными словами, перпендикулярно поляризованное электрическое поле направлено перпендикулярно оси А симметрии расположенного на печатной плате поля питания излучателя антенны.}

Наличие в предлагаемой в изобретении антенне двух входов Р₁ и Р₂ позволяет использовать их для подачи тока в расположенное на печатной плате поле питания излучателя антенны по линиям питания и в фазе, и в противофазе. При питании расположенного на печатной плате поля питания излучателя антенны в фазе в поле питания получают электрическое с первичной поляризацией Е_{, а при питании в противофазе – с другой (перпендикулярной) поляризацией E. При одновременном питании поля питания по двум линиям питания антенна запитывается симметрично, и ее излучение имеет высокую чистоту поляризации. Приведенные ниже ссылки относятся к фиг.1-4. Линии 7а и 7b питания предпочтительно соединить с двумя соседними сторонами квадрата, образующего на печатной плате поле 6 питания излучателя антенны. При этом ось А, относительно которой симметрично расположены линии питания, является диагональю квадрата. Квадраты, образующие в разных слоях печатной платы поле 6 питания излучателя антенны и поле 1 излучения, в горизонтальной плоскости развернуты друг относительно друга на 45°. Иными словами, в предлагаемой в изобретении антенне диагонали квадрата, образующего на печатной плате поле 6 питания излучателя антенны, расположены параллельно сторонам квадратного поля 1 излучения.}

На фиг.5 приведены кривые, отражающие изменение величины коэффициентов ковариационной матрицы антенны, показанной на фиг.1, в зависимости от частоты. Ковариационная матрица (называемая также матрицей перераспределения) позволяет, как известно, определить характеристики уходящих волн, излучаемых структурой, при известных характеристиках волн на входе в структуру. В рассматриваемом случае такой излучающей волны структурой является структура с двумя входами Р₁ и Р₂, образованная антенной, показанной на фиг.1. В последующем описании через e₁ и е₂ обозначены волны, которые входят в структуру в точках Р₁ и Р₂ соответственно, а через s₁ и s₂ обозначены волны, которые после прохождения через структуру выходят из точек Р₁ и Р₂ соответственно. Кроме того, через S₁₁, S₁₂, S₂₁ и S₂₂ обозначены коэффициенты ковариационной матрицы. Ковариационная матрица с известными коэффициентами позволяет, зная e₁ и е₂, определить s₁ и s₂ следующим образом:

При отсутствии в структуре невзаимных элементов, таких как ферриты, ковариационная матрица является симметричной. Иными словами, коэффициенты прохождения волн через структуру между двумя входами зависят от направления, которое определяется равенством коэффициентов S₁₂ и S₂₁. Кроме того, структура, симметричная относительно входов P₁ и Р₂, имеет равные коэффициенты S₁₁ и S₂₂.

На фиг.5, на которой показаны кривые зависимости коэффициентов S₁₁ и S₁₂ от частоты, по оси ординат отложено изменение величины коэффициента в дБ, а по оси абсцисс отложена частота в ГГц. Кривая S₁₁ характеризует изменения величины коэффициента матрицы, связанные с отражением волн. Необходимо отметить, что изменение коэффициента ковариационной матрицы, связанное с отражением волн, на -10 дБ соответствует фиксированному значению коэффициента отражения, равному 2,0. На кривой S₁₁ все изменения коэффициента матрицы, связанные с отражением, меньшим -10 дБ, расположены на участке между точками M₁ и М₂. Точки M₁ и М₂ расположены на частотах 9 и 11,25 ГГц соответственно. Иными словами, полоса пропускания, которая соответствует фиксированному соотношению волн, меньшему 2,0, расположена в диапазоне частот от 9 до 11,25 ГГц. Между этими двумя точками максимальное изменение величины коэффициента матрицы в точке М₃ на кривой S₁₂ (или кривой S₂₁) всегда остается меньшим -10 дБ. Таким образом, предлагаемая в изобретении схема питания антенны, с одной стороны, обеспечивает надежную изоляцию между ее входами (значение всех точек кривой S₁₂ ниже -10 дБ), а с другой стороны, обладает небольшим отражением в диапазоне частот от 9 до 11,25 ГГц (значение всех точек кривой в этом диапазоне ниже -10 дБ).

В настоящем изобретении предлагается также антенная решетка, содержащая по меньшей мере две описанные выше антенны. В настоящее время при конструировании антенных решеток возникает проблема расположения линий питания излучателей, которые не должны оказывать друг на друга никакого влияния. Особую остроту эта проблема приобретает при конструировании антенн с двумя направлениями поляризации. Известные решения этой проблемы носят достаточно сложный характер и на сегодняшний день не дают большого эффекта. Предлагаемая в настоящем изобретении конструкция антенной решетки позволят полностью решить эту проблему.

На фиг.6 показан один из примеров возможного выполнения предлагаемой в изобретении антенной решетки. В данном случае антенная решетка состоит из семи одинаковых антенн, конструкция которых показана на фиг.1. Все антенны напечатаны на одном и том же слое печатной платы и расположены на одной и той же (не показанной на чертеже) горизонтальной оси. Поля питания излучателей антенн соединены с напечатанной с ними на одном и том же слое печатной платы схемой 10а, 10b питания.

Линии 7а питания полей питания соединены друг с другом одной из линий 10а схемы питания. Аналогичным образом и вторые линии 7b питания полей питания соединены друг с другом второй линией 10b схемы питания. Показанная на фиг.6 схема 10а, 10b питания представляет собой параллельную схему питания. В этой связи необходимо отметить, что для питания отдельных антенн предлагаемой в изобретении антенной решетки можно использовать и последовательную схему питания. Линии, которые образуют схему 10а, 10b питания, совпадают со всеми имеющимися в антенной решетке (не показанным на чертеже) соединителями.

Линии питания схемы питания изолированы от излучающих элементов заземленным слоем 5 и поэтому не создают паразитного излучения. Такое решение, исключающее возникновение паразитного излучения, позволяет существенно упростить конструкцию схемы питания. Иными словами, для объединения отдельных антенн в предлагаемую в изобретении антенную решетку достаточно просто на слое с полями 6 питания излучателей дополнительно напечатать схему питания. Предлагаемое в изобретении использование отдельных модулей позволяет спроектировать необходимую по количеству излучателей антенную решетку достаточно просто и быстро и создает предпосылки для создания еще более простых конструкций.

На фиг.7-9 показан двойной волноводный тройник (Т), который можно просто добавить к антенне, конструкция которой показана на фиг.1. Для упрощения на фиг.7 верхние слои печатной платы с излучающим полем 1 и диэлектрическим слоем 2 не показаны. Линии 7а и 7b полей питания излучателей соединены с двойным волноводным кольцевым тройником (Т), обозначенным на чертежах позицией 13.

Следует отметить, что двойной волноводный тройник (Т) представляет собой структуру (соединение) с четырьмя входами (обозначенными позициями 1-4), связанными между собой следующей ковариационной матрицей (см. фиг.7):

Индексы 1 и 2 соответствуют входам, которые обычно называют суммирующими и дифференциальными входами. Эти входы используются в качестве новых входов Р₁‘ и Р₂‘ антенны. Два других входа (соответственно с индексами 4 и 3) тройника (Т) соединены с отделенными от них диэлектрическим слоем 8 линиями 7а и 7b питания поля 6 питания излучателя антенны.

При использовании суммирующего входа Р₁‘ (волна e’₁) справедливы следующие условия:

– в линии 7а волна находится в фазе с входом ,

– в линии 7b волна находится в фазе с входом .

При использовании дифференциального входа Р₂‘ (волна е’₂) справедливы следующие условия:

– в линии 7а волна находится в противофазе с входом

– в линии 7b волна находится в фазе с входом .

Такая схема в зависимости от использования суммирующего или дифференциального входа обеспечивает одновременное питание поля питания излучателя в фазе или в противофазе. Наличие в схеме питания антенны двойного волноводного тройника (Т) позволяет, таким образом, использовать один и тот же источник питания для работы антенны с любой поляризацией. Иными словами суммирующий и дифференциальный входы Р₁‘ и Р₂‘ образуют два независимых входа для различных направлений поляризации антенны. Вход Р₁‘ соответствует параллельной поляризации Е_{. Другой вход Р2‘ соответствует перпендикулярной поляризации Е.}

Для определения свойств антенны с двойным волноводным тройником (Т) можно использовать ковариационную матрицу, соответствующую структуре антенны, показанной на фиг.1. Волны S₃‘ и S₄‘, которые выходят из двойного волноводного тройника (Т), становятся волнами е₂ и e₁, которые входят в антенну, показанную на фиг.1. При этом волны s₁ и s₂, которые выходят из антенны, становятся волнами е₃‘ и e₄‘, которые входят в тройник (Т).

При использовании суммирующего входа P₁‘ (волна e’₁) справедливы следующие условия:

– на входе P₁‘ присутствует выходящая волна (S₁₁+S₁₂)e₁‘, соответствующая отражению (потери на отражение),

– на входе P₂‘ выходящая волна отсутствует, т.е. вход Р₂‘ полностью изолирован от входа P₁‘.

При использовании дифференциального входа P₂‘ (волна е’₂) справедливы следующие условия:

– на входе P₁‘ выходящая волна отсутствует, т.е. вход P₁‘ полностью изолирован от входа Р₂‘;

– на входе Р₂‘ присутствует выходящая волна (S₁₁-S₁₂)е₂‘, соответствующая отражению (потери на отражение).

Двойной волноводный тройник (Т), таким образом, преобразует утечку волны между входами P₁ и Р₂ в потери на отражение. Иными словами, такой тройник (Т) позволяет улучшить изоляцию между двумя новыми входами P₁‘ и P₂‘ антенны. Такая возможность в первую очередь связана с симметричной конструкцией предлагаемой в изобретении антенны.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения используется двойной волноводный тройник (Т) типа гибридного (мостового) кольцевого соединения или гибридного кольца из печатных линий передачи волновых сигналов. Линией 14 можно, например, соединить суммирующий вход тройника (Т) с соединителем, а линией 15 можно, например, соединить вход тройника (Т) с другим соединителем. Линией 16b можно соединить вход тройника (Т) с индексом 3 с линией 7b питания излучателя антенны. Линией 16а можно соединить вход тройника (Т) с индексом 4 с линией 7а питания излучателя антенны.

Двойной волноводный тройник (Т) 13, показанный на фиг.7, расположен на другом уровне, нежели диэлектрический слой 8, на котором расположено поле питания излучателя антенны. Как описано ниже, такая схема позволяет упростить сборку антенны. При наличии свободного места двойной волноводный тройник (Т) можно, как очевидно, расположить и на одном с полем питания уровне. В рассматриваемом примере двойной волноводный тройник (Т) расположен под заземленным слоем 9. Между тройником и заземленным слоем расположен изолирующий их друг от друга диэлектрический слой 11. Соединение тройника (Т) с полем питания излучателя антенны осуществляется с помощью двух вертикальных проводящих соединителей 18а и 18b, которые проходят насквозь через диэлектрические слои 8, 11 и заземленный слой 9. Расположенный на одной стороне печатной платы соединитель 18а соединяет линию 7а с линией 16а, а расположенный на другой стороне платы соединитель 18b соединяет линию 7b с линией 16b. Предлагаемая в этом варианте осуществления изобретения антенна состоит из 11 слоев, включая 6 проводящих слоев и 5 диэлектрических слоев. Сверху вниз эти 11 слоев расположены в следующем порядке:

– проводящий слой, образованный проводящим излучающим полем 1 печатной платы антенны,

– диэлектрический слой 2,

– проводящий слой, образованный заземленным слоем 3, в котором выполнено излучающее отверстие (апертура) 4,

– диэлектрический слой 5,

– проводящий слой, образованный расположенным на печатной плате проводящим полем 6 питания излучателя,

– диэлектрический слой 8,

– проводящий слой, образованный вторым заземленным слоем 9,

– диэлектрический слой 11,

– проводящий слой с двойным волноводным тройником (Т) 13,

– диэлектрический слой 12 и

– проводящий слой, образованный нижним заземляющим слоем 17.

Как показано на фиг.9, в предлагаемой в предпочтительном варианте осуществления изобретения антенне соединители 18а и 18b выполнены экранированными. Для экранирования соединителей 18а и 18b можно использовать расположенные вокруг них вертикальные стойки 19а и 19b. Такие изготовленные из проводящего материала стойки можно соединить с заземленным слоем, которым покрыт диэлектрический слой 11. В диэлектрическом слое 11 и заземленном слое 9 выполнены два отверстия 11а и 11b, через которые, не касаясь заземленного слоя, свободно проходят соединители 18а и 18b.

На фиг.10 показаны кривые, отражающие в зависимости от частоты изменение величины коэффициентов ковариационной матрицы антенны, показанной на фиг.7, с новыми входами P₁‘ и P₂‘. Коэффициенты матрицы обозначены как S₁₁‘, S₁₂‘, S₂₁‘ и S₂₂‘. По указанным выше причинам коэффициенты S₁₂‘ и S₂₁‘ равны друг другу. При этом коэффициенты S₁₁‘ и S₂₂‘ отличаются друг от друга (благодаря наличию у антенны двойного волноводного тройника (Т)).

Во всем диапазоне частот от 9 до 11,25 ГГц амплитуда кривой S₁₂‘ не превышает -20 дБ. Сравнив эту кривую с аналогичной кривой S₁₂, показанной на фиг.5, можно заметить, что антенна, выполненная по второму варианту, обладает существенно лучшей изоляцией между входами. Кроме того, у такой антенны отражение (кривые S₁₁‘ и S₂₂‘) практически в этом же диапазоне частот не превышает -10 дБ.

На фиг.11 и 12 показана антенная решетка, предлагаемая в настоящем изобретении. Эта решетка состоит из 80 антенн, показанных на фиг.1. Все антенны напечатаны на одних и тех же слоях печатной платы и выровнены вдоль двух ортогональных осей х и у. Все излучающие элементы антенной решетки (не показанные на чертежах) сгруппированы в направлении оси у в столбцы по 4 излучающих элемента в каждом столбце и разделены в направлении оси х на 20 горизонтальных групп. Для питания излучающих элементов предназначены 80 расположенных на печатной плате полей питания (фиг.12), которые тем же, что и излучающие элементы, образом объединены в вертикальном и горизонтальном направлении в группы F1, F2, F3…F20 по четыре поля питания в каждом столбце. Поле питания каждого излучающего элемента антенной решетки показано на фиг.1.

Как показано на фиг.11, поля питания 6 излучателей, расположенные в одном и том же столбце F1, можно соединить с первой схемой питания 10а, 10b, напечатанной на том же самом слое печатной платы, что и поля питания. Одна первая схема питания одновременно подает питание в 4 объединенные в один столбец поля 6 питания. В рассматриваемом примере поля 6 питания излучателей антенны в столбце F1 соединены друг с другом последовательно. Как показано на фиг.12, точно так же соединены между собой поля питания излучателей во всех остальных столбцах F2-F20.

Антенная решетка может состоять из тех же, что и показанная на фиг.7 антенна, 11 слоев, включая 6 проводящих слоев и 5 диэлектрических слоев. При этом, в частности, для упрощения сборки антенной решетки двойной волноводный тройник (Т) 13 и поля 6 питания излучателей можно напечатать на разных слоях печатной платы.

Каждый столбец F1, F2, F3,…, F20 полей питания излучателей связан с соответствующим двойным волноводным тройником (Т) R1, R2,…, R20. Иными словами, один двойной волноводный тройник (Т) связан с небольшой группой полей питания излучателей. Двойные волноводные тройники (Т) R1, R2,…, R20 расположены вдоль оси х не в одном слое с полями питания. Каждый двойной волноводный тройник (Т) можно соединить со схемой питания 10а, 10b соответствующего столбца полей питания вертикальными соединителями. Выполнить такое соединение можно с помощью вертикальных соединителей, показанных на фиг.7-9.

Предлагаемая в изобретении антенная решетка имеет также схему 20а, 20b питания, напечатанную на одном слое с двойными волноводными тройниками (Т) R1, R2,…, R20. Одна часть 20а этой схемы позволяет сгруппировать суммирующие входы двойных волноводных тройников (Т) R1, R2,…, R20 и получить первый вход 21а. Вторая часть 20b схемы питания позволяет сгруппировать дифференциальные входы тройников и получить второй вход 21b.

Иными словами, предлагаемая в изобретении антенная решетка имеет схему 20а, 20b питания, которая напечатана на слое, отличном от слоя полей 6 питания излучателей, и которая изолирована от них по меньшей мере диэлектрическим слоем 8, заземляющим слоем 9 и другим расположенным на другой стороне заземляющего слоя 9 диэлектрическим слоем 11 и соединена со слоем полей 6 питания излучателей вертикальными соединителями 18а, 18b, которые по диагонали проходят через заземленный слой 9 и диэлектрические слои 8, 11.

Очевидно, что количество излучающих элементов в предлагаемой в изобретении антенне можно изменить достаточно просто благодаря ее блочной (модульной) конструкции. Изобретение, таким образом, позволяет простым и экономичным путем создать антенную решетку практически с любым большим количеством излучателей. Такая антенна может работать как передающая антенна, как приемная антенна и как приемопередающая антенна.

Очевидно, что настоящее изобретение не ограничено рассмотренными выше вариантами его осуществления. Так, в частности, предлагаемая в изобретении антенна может работать в любом диапазоне частот. Кроме того, предлагаемая в изобретении антенна может выполнять и ряд дополнительных функций. Так, в частности, за счет дополнительных слоев на базе рассмотренной выше конструкции можно легко создать многополосную антенну.

Следует отметить также, что изобретение не ограничено и указанной выше формой отдельных элементов антенны. Другую форму могут иметь, в частности, и излучающее отверстие, и поля питания излучателей и излучающие поля. Излучающее отверстие можно, например, выполнить не в форме креста, а в форме звезды, а поля питания излучателей и излучающие поля могут иметь, например, круглую форму.

В заключение необходимо отметить, что изобретение не ограничено и описанной выше конструкцией антенны и антенной решетки. Так, в частности, для изоляции соседних проводящих слоев вместо диэлектрических слоев можно использовать воздушные слои.

Формула изобретения

1. Печатная антенна, содержащая по меньшей мере один проводящий заземленный слой (3) с излучающим отверстием (4), направляющим излучение в пространство, расположенное над заземленным слоем, одно расположенное на печатной плате под излучающим отверстием (4) изолированное диэлектрическим слоем (5) коммутационное поле (6) питания излучателя, которое связано с излучающим отверстием и питает его без паразитного излучения, отличающаяся тем, что расположенное на печатной плате поле (6) питания излучателя выполнено симметричным относительно своей оси (А) и соединено с двумя расположенными симметрично относительной этой оси линиями (7а, 7b) питания, которые при одновременном питании поля питания в фазе или противофазе позволяют получить два направления (Е_{, E) поляризации антенны.}

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что вертикальная проекция излучающего отверстия (4) по существу окружена расположенным на печатной плате полем (6) питания излучателя.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что она также имеет расположенный под полем (6) питания излучателя изолированный диэлектрический слой (8) второго заземленного слоя (9), который вместе с полем питания излучателя образует трехслойную структуру.

4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что поле питания излучателя имеет по существу форму квадрата, соседние стороны которого соединены с двумя линиями питания.

5. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что она также имеет один или несколько расположенных над излучающим отверстием (4) изолированных диэлектрическими слоями (2) проводящих излучающих полей (1), которые связаны с излучающим отверстием, направляющим излучение в расположенное над ним пространство.

6. Антенна по п.5, отличающаяся тем, что линии (7а, 7b) питания соединены с двойным волноводным тройником (13), суммирующие и дифференциальные входы которого образуют входы (P’₁P’₂) независимо для каждого направления (Е_{, E) поляризации антенны.}

7. Антенна по п.6, отличающаяся тем, что в ней используется двойной волноводный тройник (13) типа гибридного кольца.

8. Антенная решетка, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере две антенны по любому из пп.1-7.

9. Антенная решетка по п.8, отличающаяся тем, что она имеет схему (10а, 10b) питания, напечатанную на одном слое с полями питания излучателей.

10. Антенная решетка по п.8 или 9, отличающаяся тем, что она имеет схему (20а, 20b) питания, которая напечатана на другом слое, отличном от слоя, на котором расположены поля (6) питания излучателей, отделенные от нее диэлектрическим слоем (8), заземленным слоем (9) и другим диэлектрическим слоем (11), расположенным на другой стороне заземленного слоя (9), и соединена с полями питания (6) излучателей вертикальными соединителями (18а, 18b), которые проходят через заземленный слой (9) и диэлектрические слои (8, 11).

11. Антенная решетка по п.10, отличающаяся тем, что вертикальные соединители (18а, 18b) имеют экранирование (19а, 19b).

РИСУНКИ