МАЛОГАБАРИТНАЯ СВЧ-АНТЕННА НА ОСНОВЕ МЕТАМАТЕРИАЛА
SMALL-SIZE MICROWAVE ANTENNA BASED ON METAMATERIAL

Область техники
Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано при создании и изготовлении малогабаритных антенн, обеспечивающих сужение диаграммы направленности.
Уровень техники
Из уровня техники известна конструкция антенны, в которой для сужения диаграммы направленности используется решетка из нескольких излучателей, соединенных синфазно. Чем больше излучателей располагается в решетке, тем уже диаграмма направленности [Воскресенский Д.И., Грановская Р.А., Давыдова Н.С. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток). Под ред. Воскресенского Д.И. Москва: Радио и связь. 1981 год, 432 стр.].
Недостатком известного технического решения являются значительные массогабаритные характеристики (увеличение поперечных размеров антенны напрямую связано с ростом количества излучателей).
Наиболее близкой по сущности и достигаемому эффекту является конструкция антенны Фабри-Перо, включающая в свой состав излучатель, расположенный под слоем метаматериала на заданном расстоянии, и обеспечивающая сужение диаграммы направленности по сравнению с отдельно стоящим излучателем без слоя метаматериала [Lee D.H., Lee Y., Hao Y., Vardaxoglou Y., Park W.S. Perturbation input impedance matching technique for Fabry-Perot high gain antenna. Proc. Loughborough Antennas and Propagation Conference. Loughborough, UK. 17-18 March 2008. P.301-304].
Недостатками известного технического решения являются значительные массогабаритные характеристики антенны (антенна Фабри-Перо имеет поперечные размеры, в 5 раз большие по сравнению с ее излучателем).
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик СВЧ-антенн при одновременном сужении диаграммы направленности.
Технический результат заявленного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: малогабаритная СВЧ-антенна на основе метаматериала включает излучатель, состоящий из металлического экрана; диэлектрической подложки, расположенной на металлическом экране; металлической накладки, расположенной на диэлектрической подложке; фидерной линии для подачи питания, электрически соединенной через отверстие в металлическом экране и диэлектрической подложке с металлической накладкой; диэлектрическую опору, расположенную на излучателе, а также метаматериал, расположенный на диэлектрической опоре, при этом метаматериал выполнен в виде слоистой структуры с идентичными поперечными размерами с излучателем и диэлектрической опорой, не превышающими длину волны. Слоистая структура метаматериала выполнена из чередующихся слоев резонансных структур и диэлектрического основания, причем расстояние между слоями резонансных структур выбирается по формуле:
λ - длина волны;
где
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического основания.
Резонансная структура выполнена из регулярно расположенных электропроводящих элементов, число слоев резонансных структур слоистой структуры n выбирается из соотношения
1<n<5.
Резонансные структуры расположены симметрично друг над другом, при этом несоосность электропроводящих элементов резонансных структур выбирается из соотношения
r<λ/20,
λ - длина волны.
где
Резонансные структуры выполнены на тонкой свободной полимерной пленке, расстояние от излучателя до слоистой структуры метаматериала подбирается таким образом, что фазовое распределение поля по поверхности диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала близко к линейному. Фазовое распределение поля по поверхности диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала определяется по формуле:
,
s - расстояние от центра прямоугольного диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала до точки, в которой вычисляется фаза;
где
r - расстояние от излучателя до поверхности прямоугольного диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала;
λ - длина волны.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фиг.1 представлено трехмерное изображение малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
На фиг.2 представлен вид сверху малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
На фиг.3 представлено поперечное сечение (А-А) малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
На фиг.4 представлено трехмерное изображение излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
На фиг.5 представлен вид сверху излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
На фиг.6 представлено поперечное сечение (А-А) излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
На фиг.7 представлена расчетная зависимость коэффициента стоячей волны (далее КСВ) излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала от частоты, характеризующая уровень отражений в фидерную линию.
На фиг.8 представлена расчетная нормированная ДН излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала в двух ортогональных плоскостях, характеризующая ширину луча.
На фиг.9 представлена расчетная зависимость КСВ от частоты малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала, характеризующая уровень отражений в фидерную линию.
На фиг.10 представлены ДН малогабаритной СВЧ - антенны на основе метаматериала и без метаматериала в двух ортогональных плоскостях, характеризующая ширину луча.
На фиг.1-6 обозначено следующее:
1 - фидерная линия излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
2 - металлический экран излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
3 - диэлектрическая подложка излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
4 - металлическая накладка излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
5 - диэлектрическая опора малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
6 - диэлектрическое основание слоистой структуры метаматериала малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
7 - токопроводящий элемент резонансной структуры метаматериала малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
8 - слой резонансной структуры метаматериала малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
Осуществление изобретения
Заявляемая малогабаритная СВЧ-антенна на основе метаматериала функционирует следующим образом.
При облучении излучателем, состоящим из металлического экрана (2), диэлектрической подложки (3), расположенной на металлическом экране (2), металлической накладки (4), расположенной на диэлектрической подложке (3) и фидерной линии (1) для подачи питания, электрически соединенной через отверстие в металлическом экране (2) и диэлектрической подложке (3) с металлической накладкой (4), метаматериала (см. фиг.1-6) каждый слой резонансной структуры метаматериала (8) переотражает в пространство электромагнитные волны, испускаемые излучателем, причем расстояние между слоями резонансной структуры метаматериала (8) подобрано так, что переотраженное в направлении нормали каждым слоем резонансной структуры метаматериала (8) излучение от излучателя складывается в фазе. Волны от излучателя, отраженные каждым слоем резонансной структуры метаматериала (8) в направлении, обратном максимуму излучения излучателя, складываются в противофазе друг к другу и подавляются. Волны от излучателя, отраженные каждым слоем резонансной структуры метаматериала (8) под углом к направлению нормали излучателя, частично ослабляются, причем ослабление тем сильнее, чем больше угол отклонения от нормали к излучателю и чем больше количество слоев резонансной структуры метаматериала (8). С увеличением количества слоев резонансной структуры метаматериала (8) эффект сужения диаграммы направленности усиливается, однако при количестве слоев резонансной структуры метаматериала (8) более четырех дальнейшее увеличения количества слоев резонансной структуры метаматериала (8) слабо влияет на ширину диаграммы направленности (см. таблицу 1).
Измерения ДН (см. таблицу 1) проводились на стенде, включающем: опорно-поворотное устройство, на котором размещалась измеряемая антенна; открытый отрезок волновода, запитываемый через коаксиально-волноводный переход генератором сигналов AgilentE8267D; измеритель мощности Agilent Е4418В, подключенный к выходу измеряемой антенны.
При реализации заявленной малогабаритной СВЧ-антенны в качестве излучателя использовался печатный излучатель (патч) с квадратными металлическими экраном и накладкой, с фторопластовой диэлектрической подложкой и смещенной коаксиальной запиткой. Диэлектрическое основание слоистой структуры метаматериала в предпочтительном варианте выполнено в форме квадрата, а токопроводящие элементы - в форме спиралей. Излучатель под слоем метаматериала расположен на расстоянии от излучателя, равном толщине диэлектрической опоры.
Реализация заявленной малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала показала следующие характеристики.
1. Расчетный КСВ излучателя с метаматериалом на частоте 20 ГГц составляет 1,55 (см. фиг.7).
2. Расчетная ширина нормированной ДН излучателя с метаматериалом по уровню -3 дБ на частоте 20 ГГц в двух ортогональных плоскостях составляет 40,6 и 37,7 градуса, а уровень боковых лепестков составляет -10 и -13 дБ (см. фиг.8а, б). Полученные значения говорят о сужении ДН излучателя по сравнению с излучателем в 2,1 и 1,5 раза в двух ортогональных плоскостях при аналогичном уровне боковых лепестков.
3. Измеренный КСВ излучателя с метаматериалом на частоте 20 ГГц составляет 1,5, что совпадает с расчетным значением (см. фиг.9) и является удовлетворительной величиной [2].
4. Измеренная ширина нормированной ДН излучателя с метаматериалом по уровню -3 дБ на частоте 20 ГГц в двух ортогональных плоскостях составляет 22 и 26 градусов, при этом уровень боковых лепестков составляет -11 и -12 дБ (см. фиг.10). Полученные значения говорят о большем (на 25%) сужении ДН излучателя с метаматериалом по сравнению с расчетным при малом повышении уровня боковых лепестков, что показывает значительный эффект от применения пластины метаматериала.
В таблице 2 представлено сравнение расчетных/измеренных характеристик излучателя с метаматериалом и аналога (антенна Фабри-Перо).
Таблица 2
Сравнение расчетных/измеренных характеристик излучателя с пластиной метаматериала и аналога.
Расчетные/измеренные характеристики
Излучатель с метаматериалом
Аналог
Плоскость диаграммы направленности
Е
H
Е
Н
Ширина, мм
15,5
80
Высота, мм
17,5
7
Масса, г
6
50
Ширина ДН, град (расчетная/измеренная)
40,6/22
37,7/26
5
5
Как видно из представленных данных, происходит уменьшение массогабаритных характеристик заявленной малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала при одновременном сужении диаграммы направленности (для известных технических решений сужение диаграммы направленности достигается за счет увеличения массогабаритных характеристик), что и является техническим результатом заявленного изобретения.
Источники информации
1. Воскресенский Д.И., Грановская Р.А., Давыдова Н.С. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток). Под ред. Воскресенского Д.И. Москва: Радио и связь. 1981 год, 432 стр.
2. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. Москва.: Советское радио, 1974 год, стр.155, 157.
3. Lee D.H., Lee Y., Hao Y., Vardaxoglou Y., Park W.S. Perturbation input impedance matching technique for Fabry-Perot high gain antenna. Proc. Loughborough Antennas and Propagation Conference. Loughborough, UK. 17-18 March 2008. P.301-304.