Микрополосковая антенна
Патент 2237952
Авторы
Классы МПК
- H01Q21 - Антенные решетки и системы (с изменяемой ориентацией луча или изменяемой формой диаграммы направленности H01Q 3/00; электрически длинные антенны H01Q 11/00)
- H01Q1/38 - образованных электропроводящим слоем на диэлектрической подложке (проводники вообще H01B 5/14)
- H01Q9/16 - соединяемые с фидером в промежутке между крайними точками антенны, например диполь, соединяемый с фидером в средней точке (H01Q 9/44 имеет преимущество)
- H01Q11/10 - антенны с логарифмическим периодом излучения (H01Q 11/08 имеет преимущество)
Микрополосковая антенна
Реферат
Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических системах различного назначения. Микрополосковая антенна содержит две плоские диэлектрические пластины, лежащие одна на другой, на нижней из которых выполнена несимметричная полосковая линия с проводником и заземляющей пластиной, питающая посредством емкостной связи плоские излучающие элементы, выполненные на внешней стороне верхней диэлектрической пластины в форме прямоугольных металлических пластин, попеременно расположенных в разные стороны относительно проводника микрополосковой линии. Размеры излучающих элементов и расстояния между ними изменяются вдоль проводника несимметричной полосковой линии согласно принципу логарифмической периодичности. Для стабилизации ширины и направления максимума диаграммы направленности в рабочем диапазоне частот параллельно и синфазно включена вторая микрополосковая антенна, идентичная первой, расположенная с ней в одной плоскости на общей продольной оси и являющаяся ее зеркальным отражением со стороны излучающего элемента с минимальным размером. При этом расстояние между наименьшими излучающими элементами первой и второй микрополосковых антенн выбрано в пределах (0,3-0,5)мин, где мин - минимальная длина волны рабочего диапазона частот. Параллельное и синфазное соединение микрополосковых антенн и может осуществляться любым известным способом, например, посредством двухканального делителя мощности. Техническим результатом является стабилизация ширины и направления максимума диаграммы направленности в диапазоне частот. 1 ил.
Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических системах различного назначения, в частности в широкодиапазонных портативных радиотехнических комплексах.
Известны микрополосковые антенны [1,2], обладающие малым весом и габаритами, хорошей повторяемостью характеристик при массовом производстве, низкой стоимостью и технологичностью.
Существенным их недостатком является узкая полоса рабочих частот.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является выбранная в качестве прототипа микрополосковая антенна [3], содержащая две плоские диэлектрические пластины, лежащие одна на другой, на нижней из которых выполнена несимметричная полосковая линия, питающая посредством емкостной связи плоские излучающие элементы, выполненные на внешней стороне верхней диэлектрической пластины в форме прямоугольных металлических пластин, попеременно расположенных в разные стороны относительно проводника несимметричной полосковой линии. С целью расширения полосы рабочих частот размеры излучающих элементов и расстояния между ними изменяются вдоль несимметричной полосковой линии согласно принципу логарифмической периодичности. Диаграмма направленности данной микрополосковой антенны направлена по нормали к плоскости диэлектрических пластин.
Экспериментальный образец микрополосковой антенны, исследованный в прототипе, имел полосу рабочих частот порядка 30%. В тоже время, с точки зрения согласования с питающей несимметричной полосковой линией, такие микрополосковые антенны, могут работать в полосе частот более октавы.
Существенными недостатками микрополосковой антенны [3], ограничивающими возможности ее использования в качестве широкодиапазонной антенны портативного радиотехнического комплекса является нестабильность ширины ее диаграммы направленности и направления максимального излучения в диапазоне частот. В частности, проведенные автором исследования показали, что отключение максимума диаграммы направленности от нормали к плоскости диэлектрических пластин достигает в двухкратной полосе частот (30-40) .
Техническая задача изобретения - стабилизация ширины и направления максимума диаграммы направленности в диапазоне частот.
Задача достигается тем, что к микрополосковой антенне, содержащей две плоские диэлектрические пластины, лежащие одна на другой, на нижней из которых выполнена несимметричная полосковая линия, питающая посредством емкостной связи плоские излучающие элементы, выполненные на внешней стороне верхней диэлектрической пластины в форме прямоугольных металлических пластин, попеременно расположенных в разные стороны относительно проводника несимметричной полосковой линии, при этом размеры излучающих элементов и расстояния между ними изменяются вдоль проводника несимметричной полосковой линии согласно принципу логарифмической периодичности, согласно изобретению параллельно и синфазно включена вторая микрополосковая антенна, идентичная первой, расположенная с ней в одной плоскости на общей продольной оси и являющаяся ее зеркальным отражением со стороны излучающего элемента с минимальным размером, причем расстояние между наименьшими излучающими элементами первой и второй микропо-лосковых антенн выбрано в пределах (0,3-0,5) мин, где мин - минимальная длина волны рабочего диапазона частот.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемая микрополосковая антенна отличается наличием новых элементов и связей - параллельно и синфазно включена вторая антенна, идентичная первой, расположенная с ней в одной плоскости на общей продольной оси и являющейся ее зеркальным отражением, причем расстояние между наименьшими излучающими элементами первой и второй микрополосковых антенн выбрано определенным образом.
Таким образом, изобретение соответствует критерию “Новизна”.
Анализ известных технических решений в известной области и смежной с ней позволяют сделать вывод, что указанные признаки известны, но свойства, которые благодаря им приобретает изобретение, приводит к стабилизации ширины и направления максимума диаграммы направленности в диапазоне частот, что обеспечивает получение положительного эффекта и дает основание сделать вывод о соответствии технического решения критерию “существенные отличия”.
Изобретение имеет изобретательский уровень, так как для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства.
На фиг.1 приведено схематическое представление микрополосковой антенны, где:
1 - первая микрополосковая антенна;
2 - вторая микрополосковая антенна;
3 - верхняя диэлектрическая пластина;
4 - нижняя диэлектрическая пластина;
5 - излучающие элементы;
6 - проводник несимметричной полосковой линии;
7 - заземляющая пластина несимметричной полосковой линии;
8 - двухканальный делитель мощности;
R - активная нагрузка.
Микрополосковая антенна 1 или 2 содержит две плоские диэлектрические пластины 3 и 4, лежащие одна на другой, на нижней из которых выполнена несимметричная полосковая линия. Проводник 6 несимметричной полосковой линии расположен на верхней стороне диэлектрической пластины 4, на которой лежит вторая диэлектрическая пластина 3. Нижняя сторона диэлектрической пластины 4 имеет металлизацию, выполняющую роль заземляющей пластины 7 несимметричной полосковой линии. На верхней стороне диэлектрической пластины 3 выполнены в виде прямоугольных металлических пластин излучающие элементы 5, попеременно расположенные в разные стороны относительно проводника 6 несимметричной полосковой линии. Размеры излучающих элементов и расстояния между ними изменяются вдоль проводника 6 несимметричной полосковой линии согласно принципу логарифмической периодичности. Первая микрополосковая антенна 1 и вторая микрополосковая антенна 2 расположены в одной плоскости на общей продольной оси. При этом вторая микрополосковая антенна 2 является зеркальным отражением первой микрополосковой антенны 1 со стороны излучающих элементов 5 с минимальными размерами. Расстояние d между излучающими элементами 5 с минимальными размерами выбрано в пределах (0,3-0,5) мин. Конструктивно обе микрополосковые антенны 1 и 2 могут быть выполнены на единых диэлектрических пластинах 3 и 4. При этом каждая из микрополосковых антенн 1 и 2 имеет свою самостоятельную несимметричную полосковую линию, нагруженную со стороны излучающих элементов 5 с максимальными размерами на активное сопротивление R, а со стороны излучающих элементов 5 с минимальными размерами обе несимметричные полосковые линии соединены параллельно и синфазно. Параллельное и синфазное соединение микрополосковых антенн 1 и 2 может осуществляться любым известным способом, например, посредством двухканального делителя мощности 8.
Микрополосковая антенна работает следующим образом.
Сигнал-генератор, включенный на входе двухканального делителя мощности 8, возбуждает в несимметричных полосковых линиях микрополосковых антенн 1 и 2 ТЕМ-волну. Несимметричная полосковая линия, нагруженная излучающими элементами 5, эквивалентна линии с параллельно включенными проводимостями. Если у излучающих элементов 5, расположенных вблизи вершины, например, микрополосковой антенны 1 (вблизи точки запитки), резонансные частоты намного превышают частоту сигнал-генератора, то эквивалентные им проводимости малы и носят реактивный характер. В результате нагрузка несимметричной полосковой линии приводит на этом участке лишь к небольшому замедлению распространяющейся волны. По мере распространения волны вдоль микрополосковой антенны 1 или 2 и приближении ее к так называемой “активной области”, где резонансные частоты излучающих элементов 5 близки к частоте сигнал-генератора, шунтирующие проводимости возрастают и все больше и больше влияют на распространяющуюся в несимметричной полосковой линии волну. В “активной области” эквивалентная проводимость очень велика по отношению к волновой проводимости несимметричной полосковой линии и носит активный характер, поэтому энергия от несимметричной полосковой линии переходит в излучающие элементы 5, входящие в состав “активной области”, и излучается ими. Остальная часть излучающих элементов 5, находящаяся за пределами “активной области”, фактически не влияет на работу микрополосковых антенн 1 и 2. При изменении частоты сигнал-генератора “активная область” перемещается вдоль микрополосковой антенны 1 и 2, обеспечивая им широкополосность. Относительные фазы токов в соседних излучающих элементах 5, обусловленные их расположением вдоль несимметричной полосковой линии, примерно равны 180 . Попеременное же их расположение относительно проводника 6 несимметричной полосковой линии обеспечивает им дополнительный сдвиг фаз 180 . В результате обеспечивается синфазное сложение полей в точке приема. При синфазном равноамплитудном распределении токов в изучающих элементах 5 микрополосковые антенны 1 и 2 формируют однонаправленные диаграммы направленности, направления максимального излучения которых направлены по нормали к плоскости диэлектрических пластин 3, 4. Амплитудно-фазовое распределение токов в излучающих элементах 5, образующих “активную область” зависит от их размеров, точности изготовления и степени емкостной связи с проводником 6 несимметричной полосковой линии. Поскольку размеры излучающих элементов 5 и степень их емкостной связи с проводником 6 (при постоянной толщине диэлектрической пластины 3) различны, то распределение токов в них будет отличаться от равноамплитудного синфазного распределения. При этом амплитудно-фазовые ошибки возбуждения излучающих элементов 5 возрастают с ростом частоты, что приводит к искажению формы диаграммы направленности и изменению направления ее максимального излучения. При этом, как известно, направление максимального излучения отклоняется от нормали в сторону излучающих элементов 5 с минимальными размерами. Поскольку введенная микрополосковая антенна 2 идентична микрополосковой антенне 1 расположена с ней в одной плоскости, на общей продольной оси, зеркально со стороны излучающих элементов 5 с минимальными размерами, то отклонение направления ее излучения от нормали будет таким же по величине как и у микрополосковой антенны 1, но противоположным по направлению. Тогда при синфазном сложении результирующее излучение будет занимать постоянное направление, а именно, по нормали к плоскости диэлектрических пластин 3, 4. При этом выбранное значение расстояния d между излучающими элементами 5 с минимальными размерами (0,3 мин d 0,5 мин) исключает возможность появления интерференционных максимумов в результирующей диаграмме направленности и изменения входного сопротивления вследствие взаимного влияния микрополосковых антенн 1 и 2 друг на друга. Таким образом, введение микрополосковой антенны 2 указанным выше образом приводит к тому, что отклонение диаграммы направленности одной микрополосковой антенны в диапазоне рабочих частот происходит синхронно с отключением диаграммы направленности другой, но в противоположных направлениях, поэтому их результирующая диаграмма направленности занимает стабильное положение в пространстве во всем рабочем диапазоне частот. Так как с увеличением частоты диаграмма направленности каждой отдельной микрополосковой антенны сужается, а одновременно с этим увеличивается ее отклонение от нормали к плоскости диэлектрических пластин 3, 4, то сложение диаграмм направленности от двух отдельных микрополосковых антенн 1 и 2 на различных частотах будет осуществляться по различным уровням их пересечения, что обеспечит постоянство ширины результирующей диаграммы направленности и, как следствие, коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот.
Изготовленный, в соответствии с предложенным техническим решением, макет микрополосковой антенны и результаты измерений подтвердили теоретические предпосылки. В частности, в октавном диапазоне частот отклонение максимума диаграммы направленности составило 3 , неравномерность ширины диаграммы направленности, включая погрешность измерений, составила не более 5%. Кроме того, прирост коэффициента усиления по сравнению с прототипом составил (1,6-1,9) дБ.
Источники информации
1. Патент США по кл. 343/700 (H 01 Q 00/00) № 4163236 от 31.07.79.
2. Патент США по кл. 343/700 (H 01 Q 1/38) № 4160976 от 10.07.79.
3. ELECTRONICS LETTERS. 1980, 14 February, v.16, № 4, p. 127-128.
Формула изобретения
Микрополосковая антенна, содержащая две плоские диэлектрические пластины, лежащие одна на другой, на нижней из которых выполнена несимметричная полосковая линия, питающая посредством емкостной связи плоские излучающие элементы, выполненные на внешней стороне верхней диэлектрической пластины в форме прямоугольных металлических пластин, попеременно расположенных в разные стороны относительно проводника несимметричной полосковой линии, при этом размеры излучающих элементов и расстояния между ними изменяются вдоль проводника несимметричной полосковой линии согласно принципу логарифмической периодичности, отличающаяся тем, что параллельно и синфазно включена вторая микрополосковая антенна, идентичная первой, расположенная с ней в одной плоскости на общей продольной оси и являющаяся ее зеркальным отражением со стороны излучающего элемента с минимальным размером, причем расстояние между наименьшими излучающими элементами первой и второй микрополосковых антенн выбрано в пределах (0,3-0,5)мин, где мин - минимальная длина волны рабочего диапазона частот.
РИСУНКИРисунок 1