Антенна с круговой поляризацией и ослаблением связи

Многослойная излучающая антенна с круговой поляризацией и с одним подведением питания позволяет покрыть весь частотный диапазон GPS, в том числе диапазон системы Galileo E5a/E5b. Небольшой размер апертуры (длина волны λ/8 на 1176 МГц, частотный диапазон L5) данной антенны представляет интерес при использовании в небольших антенных решетках GPS. К тому же, в отличие от предшествующих антенн GPS, описываемая антенна имеет круговую поляризацию с одним подведением питания. В этой статье мы представляем проект GPS антенны с расчетными требованиями и характеристиками и рассматриваем результаты, относящиеся к связи между элементами антенной решетки. Модификации, понижающие связь, будут представлены далее.

I. Введение

Недавние разработки в области GPS содержат дополнение к новому способу обнаружения сигнала на 1176 МГц (L5) с 24-х МГц частотой пропускания и являются более доступными по сравнению с запущенным блоком IIF спутников в 2008 году. К тому же, европейская навигационная система Galileo использует частотные полосы на низком L диапазоне, а именно E5a (1164 – 1189 МГц) и E5b (1189 – 1214 МГц). Некоторые трех диапазонные GPS антенны [1] – [3] предложено сделать покрывающими новый диапазон L5 (так же как E5a/E5b диапазоны) в дополнение к используемым диапазонам L2 (1227 МГц) и L1 (1575 МГц). В числе этих антенн (многослойные излучатели с близкорасположенным питанием), представленных в [3], есть варианты, показывающие хороший КПД и зону покрытия диаграммы направленности. Тем не менее, не рассматривая семи элементную антенную решетку GPS, антенна с многослойным излучателем с близкорасположенным питанием нуждается в четырнадцати питающих портах и в семи гибридных схемах с перпендикулярными относительно друг друга ответвлениями. Для небольшой антенной решетки, данные особенности питания не подходят из-за сложности и дороговизны. Именно поэтому был проявлен интерес к разработке GPS антенны с одним подведением питания, где излучение будет с круговой поляризацией. Конечно, задачей является реализация гибридной схемы, которая работала бы на всех частотах GPS.

В этой статье, мы представляем миниатюрную (длина волны λ/8 на частоте L5) с многослойным излучателем антенну с круговой поляризацией и с одним подведением питания для антенных решеток GPS. Представляется реализованная на практике [3] гибридная схема, включающая в себя перпендикулярные относительно друг друга ответвления. Гибридная схема нанесена на той же стороне относительно заземленного плоского экрана, что и излучатели, и получает питание от одного коаксиального кабеля для согласования с предыдущей схемой. Далее мы начинаем с конструкторского решения, за которым следует законченный проект наряду с измерениями для утверждения. Также для работы были рассмотрены эффекты взаимосвязи в присутствии рядом расположенных элементов. В таком случае межэлементную связь позволяют снизить модификации.

II. Цель проектов

Требуемая маленькая GPS антенна имеет следующее техническое условие:
1) небольшой размер апертуры (максимальный размер не более чем λ/8 на частотный диапазон L5);
2) работа на многих частотных диапазонах (E5a/L5: 1176 МГц; E5b: 1201 МГц; L2: 1227 МГц; L1: 1575 МГц, все с 24-х МГц полосой пропускания);
3) излучение с правой круговой поляризацией, коэффициент усиления больше 0 дБ;
4) наличие одного подведения питания (согласование с 50 Ом).

Представленная в [3] антенна с многослойным излучателем с близкорасположенным питанием подходит по всем вышеупомянутым требованиям кроме последнего: она нуждается в питании, подводимом по двум коаксиальным кабелям для создания излучения с правой круговой поляризацией. Потребность в таком питании является достаточно критичной, поскольку некоторые элементы были использованы для создания помехоустойчивой антенной решетки. Т.е., (для семиэлементной антенной решетки) потребовалось 14 питающих кабелей внутри 115 мм апертуры. Был разработан элемент с одним подводимым питанием, что значительно всё упростило. Обычно в литературе применялись два подхода по решению проблемы в возбуждении мод круговой поляризации для излучателей. Первый метод сводится к двум исходящим затухающим ортогональным модам (ТМ01 и ТМ10 моды), смещенным местоположением точки подключения питания и обрезанными краями излучателя [4], [5]. Опираясь на данный метод, антенны с многослойными излучателями и одним подведением питания уже имеют применения, предположенные для GPS [4], [5]. Тем не менее, фазовый сдвиг является весьма точным на рабочей частоте, опережает на узкой полосе пропускания круговой поляризации. Второй метод использует внешнюю гибридную схему с перпендикулярными относительно друг друга ответвлениями [3] или подобную схему питания [6] для возбуждения излучения с круговой поляризацией. Обычно питающая сеть представляет собой топологию на печатной плате, нанесенную на обратной стороне плоского заземленного экрана. Не смотря на это, данное питание не представляет особого интереса, поскольку потребуется доработка ныне применяемой GPS электроники при подгонке печатной платы заднего экрана.

Учитывая полосу пропускания и требования по месту расположения, предлагаемое нами питание – это гибридная схема, включающая в себя перпендикулярные относительно друг друга ответвления, нанесенная на верхнюю сторону диэлектрической подложки (см. рисунок 5) и на ту же сторону, что и состоящий из двух частей излучатель. Гибридная схема с ответвлениями [7] имеет хорошее согласование и широко используется при проектировании подобных схем. Гибридная схема, интегрированная с антенной, является частью излучающего блока и соответственно должна быть разработана в согласовании с двухслойным излучателем с расположением вероятного окончания взаимосвязи. Более того, были уменьшены размеры антенны вместе с гибридной схемой благодаря применению материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, взаимосвязанных или взаимно влияющих друг на друга. В этой статье были собраны задачи по проектируемой гибридной схеме с ответвлениями, которая является небольшой по размерам, широкодиапазонной и пригодной для применения в компактных антенных решетках.

А. Проект многослойного излучателя

Мы начнем с первых разработанных двухслойных излучателей с линейной поляризацией, которые покрывают все частоты GPS. Как было показано в [3], многослойная излучающая антенна с близкорасположенным питанием поддерживает две ортогональные моды, что позволяет возникнуть круговой поляризации. Пересмотрев все требования, чтобы более плотно скомпоновать элементы антенной решетки, мы изменили площадь излучателей в [3] на круглые, поддерживающие обе ТМ10 и ТМ01 моды в резонансе. Конфигурация многослойного излучателя с одним подведением питания представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Конфигурация антенны с многослойным излучателем с одним подведением питания

Вертикальная металлическая полосковая линия передачи (нанесена на внешнем слое диэлектрика) применена для подведения питания к излучателям. В компоновке антенны при разработке питания для подведения питания к излучателям. В компоновке антенны при разработке питания для круговой поляризации за основание взяли слой из материала Duroid 6010 LM (er3 = 10,2 при толщине 0,635 мм). На этот слой будет нанесена гибридная схема с перпендикулярными относительно друг друга ответвлениями. Геометрические размеры позволяют достичь хорошего коэффициента усиления на всех частотах GPS: D = 33 мм, d1 = 26 мм, d2 = 22 мм, h1 = 6 мм, h2 = 8 мм. На рисунке 2 представлены кривая коэффициента усиления и кривая потерь на отражение (S11). Из рисунка 2 видно, что коэффициент усиления составляет 2,5 – 5 дБ на нижних диапазонах L5/E5a, E5b, L2 и верхнем диапазоне L1 GPS.

Рис. 2. Коэффициент усиления и параметр S11 антенны с многослойным излучателем с одним подведением питания (см. рисунок 1)

Б. Разработка гибридной схемы

Мы продолжили отдельное проектирование гибридной схемы ответвлений. Требовалось добиться равномерного распределения мощности с фазовым сдвигом 900. На рисунке 3 представлена круглая гибридная схема с перпендикулярными относительно друг друга ответвлениями, она располагается по центру круглого плоского заземленного экрана двухслойного излучателя GPS антенны.

Рис. 3. Круглая гибридная схема с ответвлениями 0° – 90°, нанесенная на подложку из Duroid 6010LM

В особенности мы подбираем место расположения для гибридной схемы, где воздействие электрических полей излучаемых мод (ТМ01 и ТМ10) будет наименьшим (см. рисунок 3). Гибридная схема была нанесена и на весьма тонкую подложку (толщина 0,635 мм) для снижения связи/взаимного влияния с излучателями. Для разработки гибридной схемы мы установили центральную частоту на 1,35 ГГц (приблизительно средняя частота между 1,2 ГГц и 1575 ГГц) и приступили к настройке ширины передающей линии для достижения лучшего согласования сопротивлений. На рисунке 4 для сравнения приведены результаты смоделированных S-параметров нашей круглой гибридной схемы с ответвлениями и результаты более стандартной квадратной схемы [7]. На рисунке 4 видно, что ширина полосы пропускания разработанной нами круглой гибридной схемы может покрывать все частоты GPS (S11 > -10 дБ) с фазовой задержкой между портом 2 и портом 3 на 1,2 ГГц в  -85,80 и на 1,575 ГГц в -1000 соответственно. Расчетные параметры (см. рисунок 3) следующие: d = 8,382 мм, w1 = 0,381мм, w2 = 0,762 мм.

Рис. 4. Смоделированные результаты S-параметров;
кривая, изображенная точечно, – новая круглая гибридная схема;
кривая, изображенная линиями, - квадратная схема из [7]

В. Компоновка гибридной схемы с многослойным излучателем

Теперь мы начнем компоновку многослойного излучателя с гибридной схемой питания с перпендикулярными относительно друг друга ответвлениями. Для соединения друг с другом разных подложек мы применили диэлектрическую пасту ECCOSTOCK (εr = 15), исключающую воздушные прослойки. Также был использован коаксиальный разъем с сопротивлением 50 Ом для подведения питания, бескорпусный резистор для поверхностного монтажа (SMD-резистор) был установлен в качестве оконечной нагрузки гибридной схемы. Законченная проектируемая модель и фабрично изготовленная антенна с круговой поляризацией с многослойным излучателем и с одним подведением питания представлены на рисунке 5.

Рис. 5. Модель (левый рисунок) и реальный действующий (правый рисунок)
многоярусный излучатель с круговой поляризацией

Г. Рабочие характеристики

Обратившись к рисунку 5 видно, что законченная модель проекта имеет следующие геометрические размеры: D = 33 мм (общий диаметр апертуры), d1 = 26,6 мм (диаметр верхнего излучателя), d2 = 24 мм (диаметр нижнего излучателя), h1 = 6 мм (толщина верхнего слоя), d = 9,144 мм (диаметр гибридной схемы), w1 = 0,381 мм и w2 = 0,762 мм (ширины металлизированных дорожек гибридной схемы). Для моделирования антенны применялась программа Ansoft HFSS. Параметр S11 и коэффициент усиления, полученные при компьютерном моделировании и измеренные с действующей модели, приводятся на рисунках 6 и 7 соответственно; между расчетными и практическими данными наблюдается вполне приемлемая сходимость

Рис. 6. Смоделированные и измеренные результаты потерь
кругового поляризованного многоярусного излучателя
с единичным питанием, представленного на рисунке 5

Некоторые несоответствия возможны из-за погрешностей, допущенных при изготовлении реальной модели. В особенности, после того как металлизированные дорожки на диэлектрической подложке были сделаны вручную, диаметр и толщина металлизации могут иметь небольшие отклонения от проектной модели. Кроме этого, возможно небольшое несовпадение по диэлектрической постоянной подложки. По рисунку 7 видно, что нижележащая по частоте мода многослойного излучателя покрывает диапазоны L5/E5a, E5b и L2 с коэффициентом усиления 3 дБ при правой круговой поляризации тогда как/несмотря на то, что/принимая во внимание/поскольку мода по вышележащей частоте покрывает диапазон L1 с коэффициентом усиления 5 дБ. Также мы обратили внимание, что развязка круговой поляризации составляет около 10 дБ для обеих мод (т.е., что вполне достаточно).

Рис. 7. Характеристика коэффициента усиления многослойного излучателя
с круговой поляризацией с единичным питанием (излучатель представлен на рисунке 5)

III. Взаимосвязь между элементами в антенной решетке.

Как было показано выше, предложенный многослойный излучатель имеет хорошие характеристики коэффициента усиления в диапазонах GPS и, как и требовалось, одно подведение питания. Уменьшив в размере антенный элемент (диаметр 33 мм), стало возможным реализация семиэлементной антенной решетки GPS с апертурой 115 мм. Это примерно в три раза меньше в размерах по сравнению с номинальным размером апертуры 356 мм, занимаемой аналогичной по характеристикам антенной решеткой GPS. Тем не менее, небольшой размер предложенной апертуры представляется со связанными окончаниями. В этом разделе мы рассматриваем связанные окончания и разработки по корректировки.

Для упрощения рассмотрим два рядом расположенных абсолютно одинаковых антенных элемента GPS. Как мы можем заметить (см. рисунок 8), пик на графике коэффициента усиления при правой круговой поляризации одного антенного элемента при d = 40 мм на вышележащей частоте значительно сдвинут вправо по сравнению с той же характеристикой двух рядом расположенных антенных элемента.

Рис. 8. Коэффициент усиления одного антенного элемента GPS вблизи второго элемента
(подведение питания гибридной схемы под антенной подложкой)

Рис. 9. Величина электрического поля высшей моды в середине диэлектрического слоя.
(а) питание гибридной схемы ниже антенной подложки.
(b) питание гибридной схемы выше антенной подложки.

Из рисунка 9(а) видно, что взаимосвязь вызвана полями, исходящими от разветвления линий питания. Наше исследование показало, что эта связь обусловлена модами, сформированными между печатными платами гибридной схемы (слои излучателей) и значительными различиями диэлектриков. Для подавления таких мод требуется увеличить радиус гибридной схемы до такой степени, чтобы весь многослойный излучатель оказался внутри окружности из печатных дорожек гибридной схемы (см. рисунок 10). После того как была произведена доработка гибридной схемы вышеприведенным способом взаимосвязь стала значительно меньше (см. рисунок 9(b)), и нами также было отмечено, что полученная характеристика S-параметров имела такое же обоснование, что и на рисунке 4. К тому же, характеристика коэффициента усиления антенного элемента (см. рисунок 11) не находится под влиянием рядом расположенных антенных элементов. В особенности заметно некоторое отличие в коэффициенте усиления при рассмотрении двух элементов (возбуждение подано только на левый элемент) или трех элементов (возбуждение подано на элемент, расположенный посередине). При этом расстояние между элементами было взято 40 мм, а элементы, на которые не подавалось возбуждение, были оканчивались нагрузкой 50 Ом. Таким образом, наш проект гибридной схемы может быть использован в небольшой помехоустойчивой антенной решетке без каких-либо неблагоприятных эффектов взаимосвязи.

Рис. 10. Модифицированное подведение питания гибридной схемы для ослабления взаимосвязи.
(а) питание гибрида ниже антенной подложки. (b) питание гибрида выше антенной подложки.

Рис. 11. Характеристика коэффициента усиления при наличии соседних элементов

IV. Заключение

В настоящей статье был представлен небольшой, компактный многослойный антенный излучатель с круговой поляризацией и с одним подведением питания для работы на всех диапазонах GPS. Ключевым компонентом нашей разработки является интегрированная гибридная схема ответвлений для многослойных излучателей с круговой поляризацией. Теоретические данные проекта были сверены с практическими измерениям. Кроме этого, законченный проект гибридной схемы был настроен на пониженную связь, которая присутствует вокруг антенных решеток.

Авторы: Юджин Джоу, Чи-Чих Чен, Джон Л. Волакис (перевел Кондратьев Александр)

Информация о первоисточнике:
This paper appears in:
Antennas and Propagation, IEEE Transactions on
Date of Publication: May 2008
Author(s): Yijun Zhou
ECE Dept., Ohio State Univ., Columbus, OH
Chi-Chih Chen ; Volakis, J.L.
Volume: 56 , Issue: 5
Page(s): 1469 - 1472
Product Type: Journals & Magazines