RU2471272C1

RU2471272C1 - Double-frequency microstrip antenna

Info

Publication number: RU2471272C1
Application number: RU2011125746/08A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Витальевич Татарников; Андрей Витальевич Астахов; Антон Павлович Степаненко
Original assignee: Дмитрий Витальевич Татарников; Андрей Витальевич Астахов; Антон Павлович Степаненко
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2012-12-27

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to microstrip antennae and particularly to a double-frequency microstrip antenna for use in global navigation satellite systems (GNSS). The structure of the double-frequency microstrip antenna includes: a conducting shield and an inner radiating plate and an outer radiating plate, lying opposite said shield. The inner plate is in form of a metal-coated disc with a set of protrusions on its periphery, and the outer plate is in form of a metal-coated ring with a corresponding set of protrusions on its inner side, wherein the corresponding protrusions of the inner plate lie in grooves formed by corresponding protrusions of the outer plate and vice versa. There are vertical conducting elements in the protrusions of the inner plate which galvanically connect the outer plate to said conducting shield. Between the shield and the outer plate on its outer periphery, there is a dielectric filling or capacitive elements.

EFFECT: wider operating frequency band, low level of the beam pattern in the backward semi-sphere and shorter length of the antenna.

18 cl, 13 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к антеннам и, в частности, к двухчастотным микрополосковым антеннам (МПА) для использования, преимущественно, в глобальных навигационных спутниковых системах (GNSS).The present invention relates to antennas and, in particular, to dual-frequency microstrip antennas (MPAs) for use mainly in global navigation satellite systems (GNSS).

Уровень техникиState of the art

В настоящее время МПА антенны имеют широкое применение в различных областях техники и, в частности, в системах спутниковой навигации, например GPS, Glonass, Galileo и др., что требует обеспечения достаточно широкой полосы частот. Поэтому существует потребность в двухчастотных антеннах для систем спутниковой навигации, где используются сигналы двух частотных диапазонов, так называемых L1 и L2. Для системы GPS средние частоты этих диапазонов имеют значения 1575 МГц для L1 и 1227 МГц для L2, что соответствует длинам волн в вакууме 19 см и 24.4 см. Такие антенны часто встраиваются в переносной приемник спутникового позиционирования, что требует обеспечения массогабаритных характеристик и, в частности, малого габарита и небольшого веса.Currently, MPA antennas are widely used in various fields of technology and, in particular, in satellite navigation systems, for example GPS, Glonass, Galileo, etc., which requires a sufficiently wide frequency band. Therefore, there is a need for dual-frequency antennas for satellite navigation systems that use signals of two frequency ranges, the so-called L1 and L2. For the GPS system, the average frequencies of these ranges are 1575 MHz for L1 and 1227 MHz for L2, which corresponds to wavelengths in vacuum of 19 cm and 24.4 cm. Such antennas are often built into a portable satellite positioning receiver, which requires providing overall dimensions and, in particular , small size and light weight.

Так известна конструкция двухчастотной микрополосковой антенны US 5548297 А [1], представляющая собой проводящий экран, диэлектрическую подложку, излучающую пластинку в виде кольца и, расположенную внутри нее, излучающую пластинку в виде диска. Излучающая пластинка в виде кольца по внутренней границе имеет короткое замыкание с экраном (ground plane) и излучающая пластинка в виде диска в центральной области имеет короткое замыкание с экраном. Каждая пластинка совместно с экраном образует резонатор. Таким образом, такая конструкция представляет собой двухрезонаторную излучающую систему, причем к каждому резонатору электромагнитная энергия подводится с помощью отдельного коаксиального кабеля. Каждый такой резонатор имеет набор резонансных частот. Рабочие частоты антенны определяются выбором резонансного колебания. Так предлагается в качестве рабочего колебания пластинки в виде кольца использовать моду ТМ₁₁ (Е-волны), а в качестве рабочего колебания пластинки в виде диска использовать моду ТМ₀₁, что позволяет реализовать два типа диаграммы направленности (ДН): круговой поляризации с максимумом в зените для приема GPS сигнала и линейной поляризации с максимумом вдоль горизонта для приема сигналов наземных служб. Также такая конструкция позволяет реализовать двухчастотную двухканальную L1-L2 GPS антенну. Для этого необходимо в качестве рабочего колебания пластинки в виде диска также использовать моду ТМ₁₁. Недостатками такой конструкции является достаточно большой габаритный размер излучателя, а также узкая ДН и узкая полоса частот для резонансного колебания пластинки в виде кольца.So known is the design of a dual-frequency microstrip antenna US 5548297 A [1], which is a conductive screen, a dielectric substrate, a radiating plate in the form of a ring and located inside it, a radiating plate in the form of a disk. A radiating plate in the form of a ring along the inner boundary has a short circuit with the screen (ground plane) and a radiating plate in the form of a disk in the central region has a short circuit with the screen. Each plate together with the screen forms a resonator. Thus, this design is a two-cavity emitting system, and electromagnetic energy is supplied to each resonator using a separate coaxial cable. Each such resonator has a set of resonant frequencies. The operating frequencies of the antenna are determined by the choice of resonant oscillation. So it is proposed to use the TM ₁₁ (E-wave) mode as the working vibration of the plate in the form of a ring, and use the TM ₀₁ mode as the working vibration of the plate in the form of a disk, which makes it possible to realize two types of radiation pattern (ND): circular polarization with a maximum of Zenith for receiving GPS signal and linear polarization with a maximum along the horizon for receiving signals from terrestrial services. Also, this design allows you to implement a dual-frequency dual-channel L1-L2 GPS antenna. For this, it is necessary to use the TM ₁₁ mode as a working oscillation of a plate in the form of a disk. The disadvantages of this design are the rather large overall dimensions of the emitter, as well as a narrow beam and a narrow frequency band for resonant oscillation of a plate in the form of a ring.

Для расширения ДН излучателя с пластинкой в виде кольца необходимо уменьшать внешний радиус R₁, чтобы при этом сохранить рабочую частоту необходимо увеличить диэлектрическую проницаемость подложки, что приводит к обужению рабочей полосы частот для резонансного колебания пластинки в виде кольца. Чтобы расширить рабочую полосу частот, необходимо уменьшить внутренний радиус R₂. Но при этом уменьшается зазор h между пластинкой в виде кольца и пластинкой в виде диска, что приводит к обужению рабочей полосы частот для резонансного колебания пластинки в виде диска. Уменьшение размера внутренней пластинки с целью поддержать неизменным зазор h также приводит к обужению полосы частот, а также к дополнительному расширению ДН, что в некоторых случаях нецелесообразно, так как приводит к увеличению уровня ДН в задней полусфере и соответственно возрастанию уровня многолучевого сигнала.To expand the bottom of the emitter with a plate in the form of a ring, it is necessary to reduce the external radius R ₁ , while maintaining the working frequency, it is necessary to increase the dielectric constant of the substrate, which leads to a narrowing of the working frequency band for resonant oscillation of the plate in the form of a ring. To expand the working frequency band, it is necessary to reduce the internal radius R ₂ . But this reduces the gap h between the plate in the form of a ring and the plate in the form of a disk, which leads to the narrowing of the working frequency band for the resonant oscillation of the plate in the form of a disk. Reducing the size of the inner plate in order to maintain the gap h unchanged also leads to narrowing of the frequency band, as well as to additional expansion of the beams, which in some cases is impractical, since it leads to an increase in the Beam level in the back hemisphere and, accordingly, an increase in the level of the multipath signal.

Таким образом, существует потребность в преодолении указанных проблем, для чего предложена двухчастотная микрополосковая антенна, позволяющая обеспечить: расширение рабочей полосы частот, уменьшить уровень ДН в задней полусфере при этом уменьшить габаритный размер антенны.Thus, there is a need to overcome these problems, for which a dual-frequency microstrip antenna has been proposed, which makes it possible to: expand the working frequency band, reduce the level of the beams in the back hemisphere while reducing the overall size of the antenna.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Согласно настоящему изобретению предложена конструкция двухчастотной микрополосковой антенны которая позволяет решить указанные проблемы путем использования излучающих пластинок специальной формы.According to the present invention, a dual-frequency microstrip antenna design is proposed which allows to solve these problems by using radiating plates of a special shape.

Для этого предложена двухчастотная микрополосковая антенна, которая содержит проводящий экран и расположенные противоположно ему внутреннюю (центральную) излучающую (проводящую) пластину и внешнюю (периферийную) излучающую (проводящую) пластину и систему питания с соответствующими возбуждающими штырями для внутренней и внешней пластинки, причем внутренняя пластинка выполнена в форме круглого диска с набором выступов по краю, а внешняя пластинка выполнена в форме кольца с соответствующим набором выступов на внутренней стороне кольца, при этом соответствующие выступы внутренней пластинки расположены внутри (вложены) выступов внешней пластинки (один внутри другого), таким образом, соответствующие выступы внутренней пластинки вложены и расположены в пазах, образованных соответствующими выступами внешней пластинки. В выступах внешней пластинки расположены вертикальные проводящие элементы, которые проходят через внешнюю пластинку и гальванически соединяют внешнюю пластинку с упомянутым проводящим экраном, а между экраном и внешней пластинкой по ее внешнему периметру (краю) имеется диэлектрическое заполнение.For this, a dual-frequency microstrip antenna is proposed, which comprises a conductive screen and an inner (central) radiating (conducting) plate and an external (peripheral) radiating (conductive) plate and a power supply system with corresponding exciting pins for the inner and outer plates located opposite to it, the inner plate made in the form of a circular disk with a set of protrusions along the edge, and the outer plate is made in the form of a ring with a corresponding set of protrusions on the inner side of the ring, while the corresponding protrusions of the inner plate are located inside (nested) the protrusions of the outer plate (one inside the other), thus, the corresponding protrusions of the inner plate are nested and located in the grooves formed by the corresponding protrusions of the outer plate. In the protrusions of the outer plate are vertical conductive elements that pass through the outer plate and galvanically connect the outer plate to said conductive screen, and there is a dielectric filling between the screen and the outer plate along its outer perimeter (edge).

Выступы внутренней пластинки расположены в пазах, образованных выступами внешней пластинки таким образом, чтобы имелся определенный зазор между этими выступами. Выступы могут быть выполнены прямоугольной, квадратной, трапецеидальной или другой формы имеющей определенную площадь поверхности.The protrusions of the inner plate are located in the grooves formed by the protrusions of the outer plate so that there is a certain gap between these protrusions. The protrusions can be made rectangular, square, trapezoidal or other shape having a certain surface area.

Как вариант, пространство между упомянутым проводящим экраном и упомянутой внутренней и внешней пластинкой имеет воздушное заполнение, при этом внутренняя и внешняя пластинка размещены над проводящим экраном посредством диэлектрических проставок, выполняющих роль несущей опоры. Также пространство между упомянутым проводящим экраном и упомянутыми внутренней и внешней пластинкой может быть заполнено диэлектриком. Внутренняя и внешняя пластинки выполнены в виде печатной платы (РСВ) и представляют собой проводящий слой, выполненный на несущем диэлектрическом основании.Alternatively, the space between said conductive screen and said inner and outer plate is air filled, wherein the inner and outer plate are arranged above the conductive screen by means of dielectric spacers acting as a supporting support. Also, the space between said conductive screen and said inner and outer plate may be filled with a dielectric. The inner and outer plates are made in the form of a printed circuit board (PCB) and are a conductive layer made on a carrier dielectric base.

Как вариант, вертикальные проводящие элементы выполнены в виде тонких металлических пластинок, зубцов или штырей произвольной формы и могут располагаться как в каждом выступе внешней пластинки, так и иметь определенный шаг расположения, например через один выступ.Alternatively, the vertical conductive elements are made in the form of thin metal plates, teeth or pins of arbitrary shape and can be located in each protrusion of the external plate, and have a certain location step, for example, through one protrusion.

Как вариант, внешняя пластинка выполнена на нижней стороне РСВ платы, а внутренняя пластинка на верхней стороне РСВ платы, при этом длина выступа внутренней пластинки больше, чем длина выступа внешней пластинки.Alternatively, the outer plate is made on the lower side of the PCB board, and the inner plate is on the upper side of the PCB board, while the length of the protrusion of the inner plate is greater than the length of the protrusion of the outer plate.

Как вариант, внешняя пластинка выполнена на верхней стороне РСВ платы, а внутренняя пластинка на нижней стороне РСВ платы.Alternatively, the outer plate is made on the upper side of the PCB board, and the inner plate is on the bottom side of the PCB board.

Как вариант, внешняя и внутренняя пластинки расположены на нижней стороне РСВ платы, причем упомянутый набор выступов внутренней пластинки расположен на верхней стороне РСВ платы и гальванически соединен с помощью проводящих элементов, например металлизированных отверстий или штырьков с проводящей поверхностью внутренней пластинки, расположенной на нижней стороне РСВ платы.Alternatively, the outer and inner plates are located on the lower side of the PCB board, wherein said set of protrusions of the internal plate is located on the upper side of the PCB board and is galvanically connected by means of conductive elements, for example, metallized holes or pins to the conductive surface of the inner plate located on the lower side of the PCB boards.

Как вариант, вдоль внешнего периметра внешней пластинки расположены емкостные элементы. Емкостные элементы представляют собой два набора проводящих штырьков или пластинок, или зубцов. Элементы одного набора соединены с внешней пластинкой, элементы другого набора соединены с экраном, причем каждый элемент одного набора расположен напротив соответствующего элемента другого набора, что обеспечивает определенный зазор между ними. Как вариант, конструкция может содержать только один из упомянутых наборов емкостных элементов.Alternatively, capacitive elements are located along the outer perimeter of the outer plate. Capacitive elements are two sets of conductive pins or plates, or teeth. Elements of one set are connected to an external plate, elements of another set are connected to a screen, and each element of one set is located opposite the corresponding element of another set, which provides a certain gap between them. Alternatively, the design may contain only one of the mentioned sets of capacitive elements.

Как вариант, емкостные элементы могут представлять собой проводящие площадки, выполненные на РСВ плате в области внешнего периметра внешней пластинки, которые гальванически соединяются с экраном посредством набора проводящих штырьков, зубцов или пластинок. При этом между упомянутой проводящей площадкой и внешней пластинкой имеется определенный зазор. Как вариант контактная проводящая площадка и внешняя пластинка расположены на разных сторонах РСВ платы.Alternatively, the capacitive elements may be conductive pads made on a PCB board in the region of the external perimeter of the external plate, which are galvanically connected to the screen by means of a set of conductive pins, teeth or plates. At the same time, there is a certain gap between the aforementioned conductive pad and the outer plate. Alternatively, the contact conductive pad and the external plate are located on opposite sides of the PCB board.

Предложенная двухчастотная микрополосковая антенна может работать в режиме линейной поляризации, возбуждаемая соответствующими возбуждающими штырями, подключенными к внешней и внутренней пластинке. Для обеспечения работы в режиме круговой поляризации к возбуждающим штырями подключена соответствующая схема, обеспечивающая возбуждение электромагнитного поля с необходимыми фазовыми сдвигами.The proposed dual-frequency microstrip antenna can operate in linear polarization mode, excited by the corresponding exciting pins connected to the outer and inner plate. To ensure operation in the circular polarization mode, an appropriate circuit is connected to the exciting pins, which ensures the excitation of the electromagnetic field with the necessary phase shifts.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг.1 показывает конструкцию известной двухчастотной МПА.Figure 1 shows the construction of the known dual-frequency MPA.

Фиг.2 показывает основную конструкцию предлагаемой двухчастотной МПА линейной поляризации.Figure 2 shows the basic design of the proposed dual-frequency MPA linear polarization.

Фиг.3-6 показывает различные варианты конструкции двухчастотной МПА линейной поляризации.Figure 3-6 shows various design options for dual-frequency MPA linear polarization.

Фиг.7 показывает конструкцию двухчастотной МПА круговой поляризации.Fig.7 shows the design of a two-frequency MPA circular polarization.

Фиг.8-8а показывает конструкцию двухчастотной МПА линейной поляризации.Fig.8-8a shows the design of a dual-frequency MPA linear polarization.

Фиг.9 и 9b показывает вариант конструкции двухчастотной МПА круговой поляризации.Fig.9 and 9b shows a design variant of a two-frequency MPA circular polarization.

Фиг.9а показывает возбуждающие штыри, выполненные в виде одной металлической детали.Fig. 9a shows exciting pins made in the form of one metal part.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Предлагается конструкция двухчастотной антенны, показанная на фиг.2, которая содержит: проводящий экран 21, внутреннюю излучающую пластинку 22, внешнюю излучающую пластинку 23, множество или набор проводящих элементов 26, соединяющих внешнюю проводящую пластинку 22 с ее экраном 21. Проводящие элементы 26 представляют собой, например, тонкие металлические пластинки или штыри произвольной формы.A dual-frequency antenna design is shown in FIG. 2, which comprises: a conductive screen 21, an internal radiating plate 22, an external radiating plate 23, a plurality or set of conductive elements 26 connecting the external conductive plate 22 to its screen 21. The conductive elements 26 are for example, thin metal plates or pins of arbitrary shape.

Внутренняя (центральная) пластинка 22 имеет размер D₁ представляет собой проводящую поверхность в виде круглого диска с набором выступов 24. Внешняя (периферийная) пластинка 23 имеет внешний размер D_2out, и внутренний размер D_2in и представляет собой проводящую поверхность в виде кольца с набором сегментов в форме выступов 25, расположенных на внутренней стороне кольца. Выступы 24 внутренней пластинки расположены в пазах, которые образованы выступами 25 внешней пластинки и наоборот. Форма выступов 24 и 25 может иметь прямоугольную, квадратную или иную форму, занимающую определенную площадь поверхности, например, они могут быть выполнены в виде трапеции, как показано на фиг.2. Между внешней и внутренней пластинками имеется зазор h. В выступах 25 расположены проводящие элементы 26, которые гальванически соединяют пластинку 23 с экраном 21. Проводящие элементы 26 могут располагаться как в каждом выступе 25, так и с определенным шагом, например через один выступ. Между экраном 21 и краями внешней пластинки 23 имеется диэлектрическое заполнение 28. Пластинки 22 и 23 могут быть выполнены методами изготовления печатных плат (РСВ) плат в виде слоев металлизации, расположенных на диэлектрической подложке 27, которая выполняет роль несущего основания. Экран 21 и проводящие пластинки 22 и 23 образуют два открытых резонатора: внешний и внутренний. Размеры D₁, D_2in и D_2out подбираются так, чтобы на рабочих частотах возбуждались резонансные колебания, соответствующие каким-либо модам резонаторов, тип которых выбирается исходя из требуемой ДН. Так для антенн спутниковой навигации необходимо иметь максимально равномерную ДН в передней полусфере. Для этого посредством системы питания, например, через соответствующие возбуждающие штыри 290 для внутренней и 291 для внешней пластинки, возбуждаются резонансные колебания, соответствующие модам ТМ₁₁, как во внутреннем, так и во внешнем резонаторах. Электромагнитная энергия подводится к каждой из пластинок, например, с помощью двух коаксиальных кабелей.The inner (central) plate 22 has a size D ₁ represents a conductive surface in the form of a circular disk with a set of protrusions 24. The outer (peripheral) plate 23 has an external size D _2out , and an internal size D _2in and represents a conductive surface in the form of a ring with a set segments in the form of protrusions 25 located on the inner side of the ring. The protrusions 24 of the inner plate are located in the grooves, which are formed by the protrusions 25 of the outer plate and vice versa. The shape of the protrusions 24 and 25 may have a rectangular, square or other shape, occupying a certain surface area, for example, they can be made in the form of a trapezoid, as shown in figure 2. There is a gap h between the outer and inner plates. In the protrusions 25 are conductive elements 26, which galvanically connect the plate 23 with the screen 21. The conductive elements 26 can be located in each protrusion 25, and with a certain step, for example through one protrusion. Between the screen 21 and the edges of the outer plate 23 there is a dielectric filling 28. The plates 22 and 23 can be made by methods for manufacturing printed circuit boards (PCBs) of boards in the form of metallization layers located on a dielectric substrate 27, which acts as a carrier base. The screen 21 and the conductive plates 22 and 23 form two open resonators: external and internal. The sizes D ₁ , D _2in, and D _{2out are} selected so that resonant oscillations corresponding to some resonator modes, the type of which is selected based on the desired pattern, are excited at the operating frequencies. So for satellite navigation antennas it is necessary to have the most uniform beam pattern in the front hemisphere. To this end, through a power system, for example, through the corresponding excitation pins 290 for the inner and 291 for the outer plate, resonant oscillations corresponding to the modes of the TM ₁₁ , both in the internal and in the external resonators, are excited. Electromagnetic energy is supplied to each of the plates, for example, using two coaxial cables.

Для обеспечения максимально широкой ДН размеры D₁, D_2in и D_2out выбираются так, чтобы во внутреннем резонаторе возбудить колебание на высокой частоте f₁, а во внешнем резонаторе возбудить колебание на низкой частоте f₂. В случае системы GPS частота f₁=1575 MHz соответствует центральной частоте высокочастотного диапазона L₁, а частота f₂=1227 MHz соответствует центральной частоте низкочастотного диапазона L₂. Наличие емкостной связи между внутренней пластинкой 22 и внешней пластинкой 23 в области закорачивающих элементов в виде вертикальных проводящих элементов 26 позволяет обеспечить размер D_in<0.5λ₁ без использования диэлектрика в области внутреннего резонатора. Область внешнего резонатора может быть частично или полностью заполнена диэлектриком, например по краям пластинки 23 используется диэлектрик 28 так, чтобы D_2out<0.5λ₂. Здесь λ₁ и λ₂ - соответственно длины волн в свободном пространстве на частотах f₁ и f₂. Описанная конфигурация пластинок 22 и 23 позволяет уменьшить внутренний размер внешней пластинки D_2in и, соответственно внешний размер D_2out, не уменьшая при этом размера внутренней пластинки D₁. Это позволяет уменьшить габаритный размер антенны, расширить ДН и рабочую полосу частот в низкочастотном диапазоне с центральной частотой f₂, сохранив при этом требуемую полосу частот в высокочастотном диапазоне с центральной частотой f₁. Другое достоинство данной конструкции заключается том, что не происходит чрезмерного расширения ДН в высокочастотном диапазоне, благодаря чему не происходит увеличения уровня многолучевого сигнала при приеме сигнала со спутников системы GPS.To ensure the widest possible pattern, the sizes D ₁ , D _2in, and D _2out are selected so as to excite the oscillation at a high frequency f ₁ in the internal resonator, and to excite the oscillation at a low frequency f ₂ in the external resonator. In the case of the GPS system, the frequency f ₁ = 1575 MHz corresponds to the center frequency of the high-frequency range L ₁ , and the frequency f ₂ = 1227 MHz corresponds to the center frequency of the low-frequency range L ₂ . The presence of capacitive coupling between the inner plate 22 and the outer plate 23 in the region of shorting elements in the form of vertical conductive elements 26 allows us to ensure the size D _in <0.5λ ₁ without using a dielectric in the region of the internal resonator. The region of the external resonator can be partially or completely filled with a dielectric, for example, a dielectric 28 is used along the edges of the plate 23 so that D _2out <0.5λ ₂ . Here λ ₁ and λ ₂ - respectively, the wavelengths in free space at frequencies f ₁ and f ₂ . The described configuration of the plates 22 and 23 makes it possible to reduce the internal size of the external plate D _2in and, accordingly, the external size D _2out , without reducing the size of the internal plate D ₁ . This allows you to reduce the overall size of the antenna, to expand the beam and the working frequency band in the low frequency range with a central frequency f ₂ , while maintaining the desired frequency band in the high frequency range with a central frequency f ₁ . Another advantage of this design is that there is no excessive expansion of the beam in the high frequency range, so that there is no increase in the multipath signal level when receiving a signal from GPS satellites.

На фиг.3 показан другой вариант конструкции предложенной двухчастотной МПА антенны. Здесь и далее (на фиг.3-5, 7) на виде сверху показаны верхний и нижний слои металлизации, а диэлектрическое основание РСВ платы не показано. Также на этом виде не показан экран антенны. Внешняя пластинка 33 находится на нижней стороне РСВ платы, а внутренняя пластинка 32 - на верхней стороне РСВ платы. Благодаря этому длина Δ₁ выступа 34 внутренней пластинки может быть больше, чем длина Δ₂ выступа 35 внешней пластинки, что приводит к увеличению емкостной связи между внутренней и внешней пластинками. Это позволяет дополнительно уменьшить размер внутренней пластинки.Figure 3 shows another embodiment of the proposed dual-frequency MPA antenna. Hereinafter (in FIGS. 3-5, 7), the upper and lower metallization layers are shown in a plan view, and the dielectric base of the PCB board is not shown. Also, the antenna screen is not shown in this view. The outer plate 33 is located on the lower side of the PCB board, and the inner plate 32 is on the upper side of the PCB board. Due to this, the length Δ _{1 of the} protrusion 34 of the inner plate may be greater than the length Δ _{2 of the} protrusion 35 of the outer plate, which leads to an increase in capacitive coupling between the inner and outer plates. This allows you to further reduce the size of the inner plate.

На фиг.4 показан вариант конструкции предложенной двухчастотной МПА, где внешняя пластинка 43 находится на верхней стороне РСВ платы, а внутренняя пластинка 44 - на нижней стороне РСВ платы.Figure 4 shows a design variant of the proposed dual-frequency MPA, where the outer plate 43 is on the upper side of the PCB board, and the inner plate 44 is on the lower side of the PCB board.

На фиг.5 показан вариант конструкции, где внешняя пластинка 53 расположена на нижней стороне РСВ платы, а внутренняя пластинка состоит из диска 52 и набора сегментов 54. Диск 52 расположен на нижней стороне РСВ платы, а сегменты 54 расположены на верхней стороне РСВ платы. Диск 52 и сегменты 54 гальванически соединены с помощью металлизированных элементов 55, например отверстий или штырьков, проходящих через диэлектрическое основание РСВ платы.Figure 5 shows a design variant where the outer plate 53 is located on the lower side of the PCB board, and the inner plate consists of a disk 52 and a set of segments 54. The disk 52 is located on the lower side of the PCB board, and the segments 54 are located on the upper side of the PCB board. The disk 52 and segments 54 are galvanically connected by means of metallized elements 55, for example holes or pins passing through the dielectric base of the PCB board.

На фиг.6 показан вариант конструкции, где вдоль периметра внешней пластинки 63 расположены емкостные элементы 64 и 65. Емкостные элементы 64 гальванически соединены с пластинкой 63, а элементы 65 гальванически соединены с экраном 61. Между элементами 64 и 65 имеется зазор t. На фиг.6а показаны варианты выполнения емкостных элементов в виде одного вертикального элемента 64, расположенного на краю пластинки 63, или одного вертикального элемента 65, расположенного на экране 61. Такие емкостные элементы позволяют дополнительно уменьшить размер внешней пластинки и избавиться от диэлектрического заполнения. Эти элементы могут быть выполнены, например, в виде металлических штырьков, тонких пластинок и подобных элементов, а гальваническое соединение с внешней пластинкой или экраном может выполняться путем пайки. Также эти элементы могут быть выполнены в виде одной детали совместно с внешней пластинкой 63 или экраном 61. Применение подобных емкостных элементов 64 и 65 не ограничивается указанным вариантом конструкции фиг.6 и они могут быть использованы вместо диэлектрика в вариантах антенны, показанной на фиг.2-5.Figure 6 shows a design variant where capacitive elements 64 and 65 are located along the perimeter of the outer plate 63. The capacitive elements 64 are galvanically connected to the plate 63, and the elements 65 are galvanically connected to the screen 61. There is a gap t between the elements 64 and 65. On figa shows embodiments of capacitive elements in the form of one vertical element 64 located on the edge of the plate 63, or one vertical element 65 located on the screen 61. Such capacitive elements can further reduce the size of the external plate and get rid of the dielectric filling. These elements can be made, for example, in the form of metal pins, thin plates and similar elements, and galvanic connection with an external plate or screen can be performed by soldering. Also, these elements can be made in one piece together with an external plate 63 or screen 61. The use of such capacitive elements 64 and 65 is not limited to the indicated embodiment of FIG. 6 and they can be used instead of the dielectric in the antenna variants shown in FIG. 2 -5.

На фиг.7 показан вариант исполнения емкостных элементов в виде металлических штырьков 74, соединенных с одной стороны с металлическим экраном 71, а с другой стороны - с металлическими площадками 75, выполненными на РСВ плате. Металлические площадки 75 и внешняя пластинка 73 расположены на различных сторонах РСВ платы так, что между ними находится диэлектрик. На видах A и B фиг.7 показаны отдельно соответственно верхний и нижний слои металлизации. Внешняя пластина 73 имеет освобождения от металлизации напротив металлических площадок 75, так что бы обеспечить отсутствие контакта штырей 74 с пластиной 73.Figure 7 shows an embodiment of capacitive elements in the form of metal pins 74 connected on one side to a metal screen 71, and on the other hand to metal pads 75 made on a PCB board. The metal pads 75 and the outer plate 73 are located on different sides of the PCB board so that there is a dielectric between them. In views A and B of Fig. 7, the upper and lower metallization layers are shown separately, respectively. The outer plate 73 has exemptions from metallization opposite the metal pads 75, so as to ensure that the pins 74 do not contact the plate 73.

На фиг.8 показан вариант конструкции антенны, где емкостные элементы 84 и вертикальные проводящие элементы, соединяющие внешнюю пластину 83 с экраном 81, выполнены в виде одной детали. Эта деталь фиг.8а может быть изготовлена из листового материала. Деталь содержит отверстие 88, сквозь которое проходит возбуждающий штырь 810, соединенный с коаксиальным кабелем.On Fig shows a variant of the design of the antenna, where the capacitive elements 84 and the vertical conductive elements connecting the outer plate 83 with the shield 81, made in one piece. This detail of FIG. 8a may be made of sheet material. The part includes a hole 88 through which passes the exciting pin 810 connected to the coaxial cable.

На фиг.9 и 9b показан вариант конструкции антенны круговой поляризации, которая содержит экран 91, металлическую деталь 92, РСВ плату 93 и возбуждающие штыри внутреннего резонатора 94. Металлическая деталь 92 содержит емкостные штыри 921, закорачивающие штыри 922, а также возбуждающие штыри 923 внешнего резонатора. На видах A и B фиг.9 показаны отдельно соответственно верхний и нижний слои металлизации. РСВ плата 93 содержит: внутреннюю пластинку 931, внешнюю пластинку 932, набор емкостных площадок 933, схему питания, состоящую из микрополосковых линий 934 и навесных элементов 935, например квадратурных делителей мощности (мостов). Внутренняя пластинка 931 содержит: слой металлизации 9311 в виде диска на нижней стороне платы (вид B), набор проводящих элементов 9312 в виде выступов, расположенных на верхней стороне платы (вид A), металлизированные отверстия 9313, соединяющие каждый из упомянутые выше элементов 9312 с диском 9311. Внешняя пластинка 932 выполнена в виде слоя металлизации на нижней стороне РСВ платы 93. Закорачивающие элементы 922 вставляются в отверстия РСВ платы 93 и соединяются с внешней пластинкой 932, например, путем пайки. Емкостные штыри 921 вставляются в соответствующие отверстия РСВ платы 93 и соединяются с емкостными элементами РСВ платы 933 путем пайки. Возбуждающие штыри 923 и 94 вставляются в отверстия РСВ платы 93 и соединяются с выходными элементами схемы питания путем пайки, причем возбуждающие штыри 94 также соединяются с экраном 91, например, путем пайки.Figures 9 and 9b show an embodiment of a circular polarization antenna that includes a shield 91, a metal part 92, a PCB board 93, and the excitation pins of the internal resonator 94. The metal part 92 contains capacitive pins 921, shorting pins 922, and also the excitation pins 923 of the external resonator. In views A and B of Fig. 9, the upper and lower metallization layers are shown separately, respectively. PCB board 93 contains: an internal plate 931, an external plate 932, a set of capacitive pads 933, a power circuit consisting of microstrip lines 934 and attachments 935, for example, quadrature power dividers (bridges). The inner plate 931 contains: a metallization layer 9311 in the form of a disk on the lower side of the board (type B), a set of conductive elements 9312 in the form of protrusions located on the upper side of the board (type A), metallized holes 9313 connecting each of the above-mentioned elements 9312 with drive 9311. The outer plate 932 is made in the form of a metallization layer on the lower side of the PCB board 93. Shorting elements 922 are inserted into the holes of the PCB board 93 and connected to the outer plate 932, for example, by soldering. Capacitive pins 921 are inserted into the corresponding holes of the PCB of the board 93 and are connected to the capacitive elements of the PCB of the board 933 by soldering. The exciting pins 923 and 94 are inserted into the openings of the PCB of the board 93 and connected to the output elements of the power circuit by soldering, and the exciting pins 94 are also connected to the shield 91, for example, by soldering.

Схема питания имеет два входа, соответствующие высокочастотному и низкочастотному диапазонам и восемь выходов. Она представляет собой два делителя мощности, при этом один делитель обеспечивает питание возбуждающих штырей внутреннего резонатора 94, второй делитель обеспечивает питание возбуждающих штырей 923 внешнего резонатора. Как для внешнего, так и для внутреннего резонаторов схема питания обеспечивает питание возбуждающих штырей со сдвигом фазы 90° между соседними штырями, благодаря чему достигается возбуждение сигнала круговой поляризации. Каждый делитель выполнен с использованием микрополосковых линий 934 и миниатюрных квадратурных делителей мощности 935. Ко входам схемы питания подключены коаксиальные кабели 95 и 96. По кабелю 95 подводится мощность, обеспечивающая питание внутреннего резонатора. Кабель 95, проходит через отверстие в центральной области РСВ платы 93 и экрана 91 и центральной жилой запаян на микрополосок 9341. По кабелю 96 подводится мощность, обеспечивающая питание внешнего резонатора. Он проходит вдоль одного из закорачивающих элементов 922 и центральной жилой соединяется с полоском 9342. Оплетка кабеля 96 соединяется с экраном РСВ платы. Выходы схемы питания соединяются с возбуждающими штырями 923 и 94.The power circuit has two inputs corresponding to the high-frequency and low-frequency ranges and eight outputs. It consists of two power dividers, with one divider providing power to the exciting pins of the internal resonator 94, the second divider providing power to the exciting pins 923 of the external resonator. For both external and internal resonators, the power circuit provides power to the excitation pins with a phase shift of 90 ° between adjacent pins, thereby achieving circular polarization signal excitation. Each divider is made using microstrip lines 934 and miniature quadrature power dividers 935. Coaxial cables 95 and 96 are connected to the inputs of the power circuit. Power is supplied via cable 95 to provide power to the internal resonator. A cable 95 passes through an opening in the central region of the PCB of the board 93 and the shield 91 and the central core is sealed on a micro-strip 9341. A cable 96 supplies power to power an external resonator. It runs along one of the shorting elements 922 and the central core is connected to the strip 9342. The cable braid 96 is connected to the screen of the PCB board. The outputs of the power circuit are connected to the exciting pins 923 and 94.

Возбуждающие штыри 94 также могут быть выполнены в виде одной металлической детали (фиг.9а). В центре антенны может быть расположена металлическая трубка, соединяющая РСВ плату и экран для размещения питающих и сигнальных проводов. Выше описана конструкция антенны круговой поляризации с четырьмя возбуждающими штырями в каждом резонаторе. В другом варианте система возбуждения антенны круговой поляризации может содержать, по меньшей мере, по два возбуждающих штыря для каждого диапазона, обеспечивающих возбуждение электрического поля двух ортогональных поляризаций со сдвигом фазы 90° посредством квадратурного делителя мощности или любым другим известным для специалиста способом питания микрополосковых антенн.Excitation pins 94 can also be made in the form of a single metal part (figa). In the center of the antenna there may be a metal tube connecting the PCB board and the screen to accommodate the supply and signal wires. The above describes the design of a circular polarized antenna with four exciting pins in each resonator. In another embodiment, the circular polarization antenna excitation system may contain at least two excitation pins for each range, providing the excitation of the electric field of two orthogonal polarizations with a phase shift of 90 ° by means of a quadrature power divider or any other method known to those skilled in the art for powering microstrip antennas.

Показанные на фигурах варианты выполнения антенны, в которой экран и излучающие пластинки выполнены в форме круга, не ограничивается такой формой. Эти элементы могут быть выполнены квадратной, прямоугольной или любой другой формы.Shown in the figures, embodiments of the antenna, in which the screen and the radiating plates are made in the shape of a circle, is not limited to such a shape. These elements can be made square, rectangular or any other shape.

Хотя выше были описаны различные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что они были представлены только для примера и не должны ограничивать объем прав настоящего изобретения.Although various embodiments of the invention have been described above, it should be understood that they were presented by way of example only and should not limit the scope of rights of the present invention.

Claims

1. A dual-frequency microstrip antenna, comprising: a conductive screen and an opposite internal radiating plate and an external radiating plate and a power supply system with corresponding excitation pins for the inner and outer plate, characterized in that the inner plate is made in the form of a circular disk with a set of protrusions along the edge and the outer plate is made in the form of a ring with a corresponding set of protrusions on the inner side of the ring, while the protrusions of the inner plate are located in grooves about razovannyh respective protrusions outer plate, wherein the vertical conductive elements are located which are electrically connected to said plate outer conductive shield, and has a dielectric filling or capacitive elements between the screen and the outer plate at its edges projections in the outer plate.

2. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 1, characterized in that the corresponding protrusions of the inner plate are located in the grooves formed by the protrusions of the outer plate so that there is a certain gap between these protrusions.

3. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 1, characterized in that the protrusions can be made in the form of a rectangle, or square, or trapezoid, or other shape having a certain surface area.

4. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 1, characterized in that the said inner and outer plates are placed above the conductive screen by means of dielectric spacers acting as a supporting support.

5. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 1, characterized in that the said vertical conductive elements are made in the form of thin metal plates, teeth or pins of arbitrary shape and can be located in each protrusion of the external plate, and have a certain arrangement step, for example, through one ledge.

6. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 1, characterized in that the said inner and outer plates are a metallization layer made on a carrier dielectric base, for example, they are made in the form of a printed circuit board (PCB).

7. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 6, characterized in that the outer plate is made on the lower side of the PCB board, and the inner plate is on the upper side of the PCB board.

8. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 7, characterized in that the length of the protrusions of the inner plate is greater than the length of the protrusions of the outer plate.

9. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 7, characterized in that the outer plate is made on the upper side of the PCB board, and the inner plate is on the bottom side of the PCB board.

10. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 7, characterized in that the outer and inner plates are located on the lower side of the PCB board, wherein said set of protrusions of the internal plate is located on the upper side of the PCB board and is galvanically connected using conductive elements, such as metallized holes or pins with a conductive surface of the inner plate located on the lower side of the PCB board.

11. Two-frequency microstrip antenna according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the capacitive elements are located along the perimeter of the outer plate.

12. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 11, characterized in that the capacitive elements are a set of metal pins or thin plates or teeth, each or a part of these elements being connected either to a screen or to an external plate.

13. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 11, characterized in that around the perimeter of the outer plate there are contact conductive pads that are galvanically connected to said screen by means of conductive pins, such contact conductive pads and the outer plate being located on different sides of the PCB board.

14. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 11, characterized in that the said vertical conductive elements, capacitive elements and excitation pins of the outer plate are made in the form of one part.

15. A dual-frequency microstrip antenna according to any one of claims 1 to 10 and 12-14, characterized in that it operates in linear polarization mode, while a power circuit is connected to the corresponding excitation pins for the internal and external plates, providing excitation of the electromagnetic field of linear polarization.

16. A dual-frequency microstrip antenna according to claims 1-10 and 12-14, characterized in that it operates in a circular polarization mode, while a power circuit is connected to the corresponding excitation pins for the internal and external plates, providing excitation of the electromagnetic field of circular polarization.

17. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 16, characterized in that said power circuit is made on top of one PCB board of the external and internal plate.

18. The dual-frequency microstrip antenna according to claim 16, characterized in that said power circuit is two power dividers, each divider is made in the form of a quadrature power divider and microstrip lines, while coaxial cables are connected to the inputs of the excitation circuit, via the first cable, which the power supplying the internal radiating plate is supplied through a hole in the central region of the PCB of the board and the screen, the central core of this cable is soldered to the microstrip, via the second cable, which runs along one of the aforementioned vertical conductive elements, power is supplied to provide power to the external radiating plate, its central core is soldered to the corresponding microstrip, the braid of this cable is connected to the screen of the PCB board, and the outputs of the power circuit are connected to the corresponding exciting pins for the internal and external plates .