Микрополосковая антенна
MICROSTRIP ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемной или передающей антенны или элемента фазированной антенной решетки в системах радиосвязи или радиолокации.
Известна микрополосковая антенна [1 - Патент РФ 2390890, «Компактная микрополосковая антенна без использования диэлектрика», опубл. 27.05.2010], содержащая излучающую пластину, которая с помощью конструктивных элементов поддерживается над экраном и соединена с линией питания, а также емкостные элементы, соединенные с излучающей пластиной, емкостные элементы расположены на краях излучающей пластины и экрана и выполнены в виде двух, по меньшей мере, протяженных ребер или набора коротких ребер, загнутых внутрь пространства между экраном и излучающей пластиной для обеспечения уменьшения резонансного размера.
Недостатком известной антенны является низкая технологичность изготовления, поскольку она содержит излучающую пластину, которая закреплена над экраном с помощью загнутых ребер с прорезями.
Известна микрополосковая антенна [2 - Пат. РФ 2117366, «Микрополосковая антенна, в частности, для спутниковых телефонных передач», опубл. 10.08.1998], которая содержит первый диэлектрический слой, имеющий с верхней стороны первый излучатель круглой формы, а с нижней - экран, второй диэлектрический слой, расположенный над первым диэлектрическим слоем и имеющий на верхней стороне второй излучатель круглой формы, расположенный над первым излучателем и имеющий размер, меньший, чем размер первого излучателя, третий диэлектрический слой, расположенный над вторым диэлектрическим слоем, четвертый диэлектрический слой, расположенный под первым диэлектрическим слоем и пятый диэлектрический слой, расположенный под четвертым диэлектрическим слоем, при этом на верхней поверхности пятого диэлектрического слоя расположена цепь питания первого излучателя, а на нижней поверхности - экран, при этом первый излучатель запитывается снизу в, по меньшей мере, одной выбранной точке, располагающейся между центром и краем первого излучателя, диэлектрические материалы первого, второго, четвертого и пятого диэлектрических слоев имеют диэлектрическую проницаемость порядка 2, а отношение значений толщины второго и первого диэлектрических слоев имеет величину порядка 3, диэлектрический материал третьего диэлектрического слоя имеет диэлектрическую проницаемость порядка 4.
Недостатком известной антенны является низкая относительная полоса рабочих частот, составляющая 8% по уровню коэффициента отражения минус 10 дБ [2 - фиг. 6].
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является микрополосковая антенна [3 - Пат. РФ 2667340, «Микрополосковая антенна», опубл. 18.09.2018], взятая за прототип, содержащая первый диэлектрический слой, имеющий с верхней стороны первый печатный излучатель, а с нижней - первый экран, второй диэлектрический слой, расположенный над первым диэлектрическим слоем, второй печатный излучатель, расположенный над первым печатным излучателем, третий диэлектрический слой, расположенный над вторым диэлектрическим слоем, четвертый диэлектрический слой, расположенный под первым диэлектрическим слоем и пятый диэлектрический слой, расположенный под четвертым диэлектрическим слоем. При этом на верхней поверхности пятого диэлектрического слоя расположен делитель мощности, от которого снизу запитывается первый печатный излучатель, а на нижней поверхности пятого диэлектрического слоя расположен второй экран, микрополосковая антенна содержит несколько пар первых и вторых печатных излучателей, отличающаяся тем, что печатные излучатели имеют квадратную форму, запитка первых печатных излучателей от делителя мощности производится через согласующие печатные элементы, примыкающие к боковой поверхности первых печатных излучателей, вторые печатные излучатели расположены на нижней поверхности третьего диэлектрического слоя, диэлектрический материал второго диэлектрического слоя имеет диэлектрическую проницаемость порядка единицы, отношение значений толщины второго и первого диэлектрических слоев не менее четырех, при этом вторые печатные излучатели имеют габаритные размеры, превышающие размеры первых печатных излучателей, а расположение пар первого и второго печатных излучателей выполнено на эквидистантном расстоянии в узлах прямоугольной или треугольной сетки.
Недостатком прототипа является высокая длительность и стоимость производства, поскольку он содержит второй диэлектрический слоя из материала с диэлектрической проницаемостью порядка 1, применение которого требует малораспространенной технологии производства.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является использование в качестве диэлектрика второго слоя широко распространенного диэлектрического материала с диэлектрической проницаемостью в несколько раз большей, чем в прототипе, например, стеклотекстолита с диэлектрической проницаемостью порядка 4.
Для решения указанной технической проблемы предлагается микрополосковая антенна, содержащая первый диэлектрический слой, имеющий с верхней стороны несколько первых печатных излучателей, а с нижней - первый экран, второй диэлектрический слой, расположенный над первым диэлектрическим слоем, несколько вторых печатных излучателей, каждый из которых расположен над соответствующим первым печатным излучателем, третий диэлектрический слой, расположенный над вторым диэлектрическим слоем, четвертый диэлектрический слой, расположенный под первым диэлектрическим слоем и пятый диэлектрический слой, расположенный под четвертым диэлектрическим слоем, при этом на верхней поверхности пятого диэлектрического слоя расположен делитель мощности, а на нижней поверхности пятого диэлектрического слоя расположен второй экран, вторые печатные излучатели расположены на нижней поверхности третьего диэлектрического слоя, микрополосковая антенна содержит несколько пар первых и вторых печатных излучателей, расположение которых выполнено на эквидистантном расстоянии в узлах прямоугольной или треугольной сетки.
Согласно изобретению, второй диэлектрический слой выполнен из стеклотекстолита или другого диэлектрика и имеет сквозные отверстия, выполненные на эквидистантном расстоянии в узлах прямоугольной или треугольной сетки, центры отверстий совпадают с центрами пар первого и второго печатных излучателей, при этом размеры отверстий соответствуют размерам первого печатного излучателя.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является сокращение срока изготовления микрополосковой антенны за счет возможности ее изготовления с использованием широко распространенной технологии изготовления многослойных печатных плат.
Проведенный сравнительный анализ заявленного изобретения и прототипа показывает, что их отличие заключается в том, что второй диэлектрический слой выполнен из широко распространенного диэлектрического материала с диэлектрической проницаемостью в несколько раз большей, чем в прототипе, например, стеклотекстолита с диэлектрической проницаемостью порядка 4 и имеет сквозные отверстия, выполненные на эквидистантном расстоянии в узлах прямоугольной или треугольной сетки, центры отверстий совпадают с центрами пар первого и второго печатных излучателей, при этом размеры отверстий соответствуют размерам первого печатного излучателя. Применение распространенных материалов дает сокращение сроков и стоимости изготовления микрополосковой антенны. В то время как в прототипе второй диэлектрический слой сплошной и выполнен из диэлектрического материала с диэлектрической проницаемостью порядка 1, что значительно затрудняет изготовление за счет того, что технология применения этого материала используется только ограниченным числом зарубежных производителей.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого изобретения из литературы не известно, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведено расположение слоев в предлагаемой микрополосковой антенне.
На фиг. 2 приведен пример использования предлагаемой микрополосковой антенны в конфигурации линейной антенной решетки.
Предлагаемая микрополосковая антенна содержит (фиг. 1):
Первый диэлектрический слой 1, имеющий с верхней стороны несколько первых печатных излучателей 2 (на фиг. 1 показан один из них), а с нижней - первый экран 3, второй диэлектрический слой 4, расположенный над первым диэлектрическим слоем 1, несколько вторых печатных излучателей 5 (на фиг. 1 показан один из них), каждый из которых расположен соответствующим первым печатным излучателем 2. Вторые печатные излучатели 5 расположены на нижней поверхности третьего диэлектрического слоя 6, размещенного над вторым диэлектрическим слоем 4.
Четвертый диэлектрический слой 7 расположен под первым диэлектрическим слоем 1, пятый диэлектрический слой 8 расположен под четвертым диэлектрическим слоем 7. На верхней поверхности пятого диэлектрического слоя 8 расположен делитель мощности 9 на N, а на нижней поверхности пятого диэлектрического слоя 8 расположен второй экран 10. Делитель мощности 9 запитывается через линию связи 11, проходящую через пятый диэлектрический слой 8 и переходное отверстие во втором экране 10 (на фиг. 1 не показано). Первый печатный излучатель 2 запитывается через линию связи 12, проходящую через первый и четвертый диэлектрические слои 1 и 7 и через переходное отверстие в первом экране 3 (на фиг. 1 не показано) и соединенную с одним из выходов делителя мощности 9.
Второй диэлектрический слой 4 имеет сквозное отверстие 13, размеры отверстия соответствуют размерам первого печатного излучателя 2.
При построении антенной решетки из N пар из первого печатного излучателя 2 и второго печатного излучателя 5 они располагаются на эквидистантном расстоянии в узлах прямоугольной или треугольной сетки. При этом N сквозных отверстий 13 во втором диэлектрическом слое 4 также выполнены на эквидистантном расстоянии в узлах прямоугольной или треугольной сетки, центры сквозных отверстий 13 совпадают с центрами пар первого печатного излучателя 2 и второго печатного излучателя 5.
Запитка первого печатного излучателя 2 производится через линию связи 12, при этом точка запитки первого печатного излучателя 2 (точка подключения линии связи 12) может находится между центром излучателя и его границей.
Первый и второй печатные излучатели 2 и 5 могут иметь, например, квадратную или круглую форму.
На фиг. 2 приведен пример линейной антенной решетки с расположением N=8 излучателей квадратной формы в одну линию на эквидистантном расстоянии d.
На фиг. 2 приведен вариант запитки первых печатных излучателей 2 через согласующий печатный элемент 14 (фиг. 2), примыкающий к боковой поверхности первого печатного излучателя 2. При этом линия связи 12 (на фиг. 2 не показана) подключается к согласующему печатному элементу 14.
Микрополосковая антенна может работать как в режиме передачи, так и в режиме приема. В режиме передачи сигнал, подаваемый на линию связи 11, в делителе мощности 9 делится на N выходов, поступает далее через линии связи 12 на первые печатные излучатели 2 и излучается в пространство. Второй печатный излучатель 5 в каждой паре излучателей является пассивным элементом и служит для расширения полосы рабочих частот микрополосковой антенны. В режиме приема делитель мощности 9 работает как сумматор, на который через линии связи 12 поступают сигналы, принимаемые N первыми печатными излучателями 2, при этом линия связи 11 работает как выход сумматора, на который поступает суммарный сигнал микрополосковой антенны.
Во втором диэлектрическом слое 4 используется диэлектрик с более высокой диэлектрической проницаемостью, чем в прототипе, но за счет того, что сквозные отверстия 13 заполнены воздухом, пространство между первым печатным излучателем 2 и вторым печатным излучателем 5 имеет диэлектрическую проницаемость, равную 1, поэтому электрические параметры предлагаемой микрополосковой антенны не отличаются от параметров прототипа.
Работоспособность предлагаемого изобретения была проверена на макете устройства (фиг. 1).
Предлагаемое изобретение, по сравнению с прототипом, за счет применения в качестве второго диэлектрического слоя 4 другого более дешевого диэлектрика, например, стеклотекстолита со сквозными отверстиями 13, обеспечивает снижение стоимости изготовления микрополосковой антенны не менее чем на 20%.