ДВУХДИАПАЗОННАЯ ПЕЧАТНАЯ ДИПОЛЬНАЯ АНТЕННА
DUAL-BAND PRINTED DIPOLE ANTENNA

Предлагаемая двухдиапазонная печатная дипольная антенна (ДПДА) относится к области техники сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использована как самостоятельная антенна в инфокоммуникационных проектах, так и в качестве базового излучающего модуля (БИМ) в печатных фазированных антенных решетках (ФАР) радиолокационных и радионавигационных систем.
Актуальность разработки таких антенн обусловлена не снижающимися требованиями к антенным системам СВЧ в отношении их массогабаритных показателей, технологичности сборочных и регулировочных работ, а также в плане совмещения двух (или большего числа) рабочих диапазонов частот в одной конструктивной единице (в одном БИМ). Для обеспечения предъявляемых ныне требований целесообразно реализовать компактные, с высоким процентом выхода годных изделий двух - или многодиапазонные антенны, пригодные для групповой технологии микроэлектроники и полосковых микросхем, когда в минимальной степени используются сквозные металлизированные отверстия, пайка, сверление и тому подобные технологические методы обработки деталей и заготовок.
Следует также отметить целесообразность такой реализации дипольного БИМ, когда возможно его использование для построения не только линейно поляризованных антенн, но и антенн с круговой/эллиптической поляризацией. Это позволяет расширить сферы применения дипольных БИМ и повысить уровень унификации проектируемых антенных систем.
Известна двухдиапазонная планарная антенна, описанная в патенте США №6801168, H01Q 1/38, опубликованном 7 октября 2004 года. Эта антенна содержит тонкую прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, сплошной прямоугольный печатный проводник, два излучающих элемента с различными геометрическими размерами в форме повернутых прописных латинских букв "L", а также питающую микрополосковую линию. При этом сплошной прямоугольный проводник выполнен на части обратной поверхности подложки и соединен с одним из излучающих элементов, а питающая микрополосковая линия сформирована на лицевой поверхности подложки над сплошным проводником и соединена с другим излучающим элементом. За счет различия размеров излучающих элементов антенна характеризуется двумя частотами согласования и, следовательно, излучения/приема радиоволн.
0
ст.U
Однако излучающие элементы описанной антенны в форме повернутых прописных букв "L" представляют собой монопольные излучатели, которые имеют меньшую степень линейности поляризации излучения, чем классические дипольные излучатели. Это обусловлено тем, что токи смещения, возникающие в окружающем пространстве вокруг монополя, локализованы между монополем и заземленной частью металлизации подложки, приводя (на основании закона сохранения полного тока) к появлению заметных токов проводимости в смежных с монополем участках заземленной металлизации. Наличие этих токов проводимости снижает коэффициент полезного действия антенны за счет возрастания джоулевых (тепловых) потерь в участках заземленной металлизации, а также увеличивает интенсивность кросс-поляризационного излучения с этих участков, так как суммарная площадь заземленных участков, несущих на себе упомянутые токи проводимости, гораздо больше площади узкого печатного проводника монополя, имеющего форму повернутой прописной буквы "L". К тому же, по оценкам Заявителя, описанная антенна обеспечивает при использовании питающих коаксиальных кабелей с волновым сопротивлением ρ, равным 50 или 75 Ом, уровни входного коэффициента стоячей волны напряжения K не лучше 1.6. Для обеспечения более качественного согласования необходимо применять согласующие СВЧ-трансформаторы полных сопротивлений, которые неминуемо увеличат габариты антенны и снизят ее коэффициент полезного действия и, следовательно, коэффициент усиления.
ст.U
Таким образом, описанную двухдиапазонную планарную антенну целесообразно применять лишь для приема радиосигналов, когда интенсивность ее кросс-поляризационного излучения почти не регламентирована, а ослабление принимаемого сигнала за счет отражений (К>1.6) может быть компенсировано в усилительном тракте радиоприемника.
Известна также многодиапазонная печатная антенна, описанная в патенте США №7088299, H01Q 9/00, опубликованном 2 июля 2005 года. Эта антенна представляет собой БИМ, содержащий два дипольных излучающих элемента в форме прописной латинской буквы "Т", выполненных на обратной поверхности квадратной тонкой диэлектрической подложки. Основания обеих букв "Т" соединены гальванически за счет общей металлизации с заземленным печатным проводником, занимающим часть площади обратной поверхности подложки. Продольные щелевые зазоры в металлизации оснований букв "Т" ориентированы по диагонали квадратной подложки. Горизонтальные излучающие стороны букв "Т" (иными словами: половинки диполя) совпадают со сторонами подложки, в результате чего буква "Т" (то есть диполь в целом) трансформируется в "стрелку" с углом острия "стрелки", равным 90°. В каждой половинке диполя симметрично выполнены из высокоомной (весьма узкой), свернутой в меандр линии передачи индуктивные элементы, суммарная площадь каждого из которых составляет (5-10)% площади половинки диполя, а поперечный размер не выходит за размер ширины печатного проводника диполя.
На лицевой поверхности подложки выполнены две питающие и две вспомогательные микрополосковые линии, а также четыре прямоугольных печатных проводника с размерами, равными соответствующим габаритным размерам индуктивных элементов. Эти проводники расположены над упомянутыми индуктивными элементами, а потенциал этих проводников коммутируется p-i-n диодами. В результате изменяется электрическая длина половинок диполя, чем обеспечиваются две частоты хорошего согласования диполя. Если на квадратной подложке выполнить по углам четыре "стрелообразных" диполя (четыре буквы "Т") с различной длиной половинок и разным положением индуктивных элементов и соответствующих им прямоугольных печатных проводников с p-i-n диодами, то возможно реализовать восьмидиапазонную печатную дипольную антенну.
Поскольку излучающими элементами описанной антенны являются диполи, то, несмотря на реализацию в виде "стрелки" с 90-градусным острием, для обеспечения их симметрирования питающая и вспомогательная микрополосковые линии, выполненные на лицевой поверхности подложки, позиционируются определенным образом над соответствующими фрагментами букв "Т" (диполей), выполненных на обратной поверхности подложки. Для однозначного описания этого позиционирования следует, прежде всего, отметить, что основание буквы "Т" с продольным щелевым зазором в металлизации (но не в диэлектрике подложки!) представляет собой отрезок щелевой линии, один конец которого короткозамкнут заземленным печатным проводником, а второй конец - разомкнут. К обоим проводникам разомкнутого конца отрезка щелевой линии присоединяются половинки диполя, причем это соединение выполнено не пайкой, а в виде продолжения металлизации, реализованного в процессе формирования проводящего рисунка обратной поверхности подложки. Упомянутое моделирование (представление) основания буквы "Т" отрезком щелевой линии детально описано в работе: "Антенны и устройства СВЧ", под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981, раздел 10.5, в котором приводится процедура проектирования печатного директорного излучателя с возбудителем, реализованного также в форме прописной латинской буквы "Т", но без ее трансформации в "стрелку".
В соответствии с этим моделированием получается, что питающая микрополосковая линия расположена над первым проводником отрезка щелевой линии, а вспомогательная микрополосковая линия расположена над вторым проводником упомянутого отрезка щелевой линии. При этом питающая и вспомогательная линии имеют одинаковую ширину и параллельны оси щелевого зазора между проводниками щелевой линии. Длина вспомогательной линии примерно равна длине щелевого зазора, а длина питающей линии ограничена только габаритом подложки, если питание к диполю подводится коаксиальным кабелем через коаксиально-микрополосковый разъем, установленный, как правило, на краю подложки. Если же питание диполя реализовано путем пайки коаксиального кабеля, то длина питающей микрополосковой линии может быть меньше габарита подложки, так как кабель можно припаять в принципе в любом месте над заземленной металлизацией.
В результате такого позиционирования начала питающей и вспомогательной микрополосковых линий оказываются размещенными вблизи разомкнутого конца отрезка щелевой линии над первым и вторым ее проводниками соответственно. Эти начала соединяются между собой гальванически короткой перемычкой (небольшим участком общей металлизации), проходящей над щелевым зазором между проводниками щелевой линии, а конец вспомогательной линии - разомкнут. Так образуется проводящий фрагмент в виде "крючка", расположенный на лицевой поверхности подложки, к которому присоединяется "жила" питающего коаксиального кабеля (или центральный штырек коаксиально-микрополоскового разъема).
Если число рабочих частот равно двум, то в упомянутом патенте США №7088299 рекомендовано размещать "стрелку" не на углу подложки, а так, чтобы ее острие "упиралось" в край подложки.
Однако вследствие того, что диполь имеет форму "стрелки", уровень кросс-поляризационного излучения такой дипольной антенны будет выше, чем в печатной дипольной антенне с коллинеарными половинками диполя, то есть с диполем в виде "незаостренной" буквы "Т".
Иными словами, диполь в виде "незаостренной" буквы "Т" характеризуется высокой, если не наивысшей, степенью "чистоты поляризации" (т.е. наивысшей степенью линейности поляризации, или минимальным уровнем кросс-поляризационного излучения). Именно это обстоятельство обусловило применение диполей в виде "незаостренной" буквы "Т" при построении однодиапазонной маловысотной (низкопрофильной) дуально-поляризованной антенны с высокой чистотой поляризации, описанной в патенте США №6310584, H01Q 21/00, опубликованном 30 октября 2001 года под следующим заголовком: "Low profile high polarization purity dual-polarized antennas".
Кроме того, наличие "крючка" из питающей и вспомогательной микрополосковых линий, начала которых соединены перемычкой, проходящей над зазором щелевой линии, не позволяет профрезеровать в диэлектрике подложки щель, размеры который равны соответствующим размерам зазора между проводниками щелевой линии. Фрезерованная в подложке щель необходима при реализации турникетной антенны, состоящей из двух диполей, оси которых перпендикулярны друг другу, а центры диполей совмещены. Чтобы реализовать турникетную антенну, в одной подложке щель фрезеруется в зазоре щелевой линии, а в другой подложке - с противоположной стороны, то есть по заземленной металлизации.
Поскольку питающие линии смещены от оси зазора щелевой линии и, следовательно, от осей профрезерованных в подложке щелей, то при установке одной подложки на другую перпендикулярно друг к другу по принципу "щель в щель" центры диполей совмещаются. Остается только пропаять стык заземленных участков металлизации обеих подложек и подключить два питающих коаксиальных кабеля для подведения от двухканального делителя мощности СВЧ сигналов со сдвигом фазы 90° (иными словами: сигналов "в фазовой квадратуре").
Таким образом, описанная в упомянутом патенте США №7088299 многодиапазонная печатная антенна с дипольными излучателями в форме модифицированной в "стрелку" прописной латинской буквы "Т" характеризуется повышенным уровнем кросс-поляризационного излучения и непригодна для построения турникетных антенн из двух диполей вследствие невозможности фрезерования в диэлектрике продольной щели в зазоре между проводниками щелевой линии основания буквы "Т".
Прототипом предлагаемого изобретения является выгодно отличающаяся от упомянутых ранее многодиапазонных антенн по "чистоте поляризации" многодиапазонная печатная дипольная антенна, описанная в патенте США №7432873, H01Q 1/38, H01Q 21/00, опубликованном 7 февраля 2008 года. Эта антенна содержит тонкую прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, отрезки щелевой линии с короткозамкнутым и разомкнутым концами, играющие роль оснований двух прописных латинских букв "Т", сплошной прямоугольный заземленный печатный проводник, два различных по длине параллельных диполя, каждый из которых образован своей парой половинок. Антенна содержит также две питающие и две разомкнутые на конце вспомогательные микрополосковые линии, реализованные на лицевой поверхности подложки.
Фактически, в упомянутой антенне используются два диполя, реализованные в форме "незаостренной" буквы "Т" и расположенные на подложке как бы "друг за другом" (или "друг над другом" при вертикальном расположении подложки). Иными словами, осевые линии обоих отрезков щелевой линии в основаниях букв "Т" обоих диполей совпадают, а сплошной прямоугольный заземленный печатный проводник непосредственно соединен с закороченным концом отрезка щелевой линии той буквы "Т", которая соответствует короткому (т.е. высокочастотному) диполю. При этом начала питающих и вспомогательных микрополосковых линий соответствующих диполей соединены между собой, что формирует два "крючка", причем "крючок" длинного (низкочастотного) диполя расположен над одной из его половинок, а "крючок" короткого (высокочастотного) диполя во избежание пересечения с питающей линией низкочастотного диполя расположен над одним из проводников отрезка щелевой линии основания буквы "Т" высокочастотного диполя.
В результате описанная двухдиапазонная антенна, образованная "незаостренными" диполями, характеризуется высокой "чистотой поляризации" и хорошим согласованием в обоих диапазонах частот с питающими коаксиальными кабелями, подключенными к концам обеих питающих микрополосковых линий, расположенным в непосредственной близости к одной из сторон подложки. Противоположная сторона этой пары сторон предназначена для формирования низкочастотного диполя, в то время как высокочастотный диполь реализован в центре подложки. Так как диполи следуют "друг за другом", то упомянутые стороны подложки являются ее малыми сторонами.
Однако расположенные "друг за другом" диполи в форме "незаостренной" буквы "Т" обусловливают значительный размер большой стороны подложки. Поскольку обе буквы "Т" (оба диполя) должны излучать энергию в окружающее свободное пространство, то они должны возвышаться ("выступать") над внешней поверхностью объекта установки (например: кузов автомобиля, фюзеляж маловысотного самолета) на высоту, равную сумме высот обеих букв "Т". Такое возвышение демаскирует антенну (делает ее весьма заметной в радиолокационном смысле) и должно быть минимизировано в первом приближении хотя бы до высоты одной буквы "Т".
Кроме того, наличие "крючков" из питающих и вспомогательных микрополосковых линий, проходящих поперек и над зазорами между проводниками отрезков щелевой линии, не позволяет выполнить в подложке в зазоре щелевой линии щель, необходимую для реализации турникетных антенн с круговой/эллиптической поляризацией.
Задачей предлагаемого изобретения является создание двухдиапазонной печатной дипольной антенны с уменьшенным размером большой стороны подложки, позволяющей реализовать менее заметные в радиолокационном смысле двухдиапазонные отдельно используемые дипольные антенны, а также турникетные антенны и фазированные антенные решетки из дипольных и турникетных антенн со сниженными габаритно-массовыми показателями.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известной двухдиапазонной печатной дипольной антенне, содержащей тонкую прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, имеющую пару больших и пару малых сторон, отрезок щелевой линии с короткозамкнутым и разомкнутым концами, сплошной прямоугольный печатный проводник с парой больших и парой малых сторон, два различных по длине параллельных диполя, каждый из которых образован парой идентичных коллинеарных узких печатных проводников, питающую и разомкнутую на конце вспомогательную микрополосковые линии, при этом отрезок щелевой линии, длина которого равна половине длины большого диполя, выполнен на обратной поверхности подложки так, что его продольная ось симметрии совпадает с большой ее осью симметрии, а разомкнутый конец расположен вблизи одной из малых сторон подложки, сплошной прямоугольный печатный проводник выполнен также на обратной поверхности подложки, причем одна из его малых сторон полностью совпадает с короткозамкнутым концом отрезка щелевой линии, а другая малая его сторона совпадает со второй малой стороной подложки в центральной ее части, большой диполь выполнен вблизи разомкнутого конца отрезка щелевой линии так, что внешние кромки его узких печатных проводников полностью совпадают с малой стороной подложки, питающая микрополосковая линия, ширина которой в три-пять раз меньше ширины проводника щелевой линии, а длина равна длине большой стороны подложки, выполнена на лицевой поверхности подложки параллельно большой ее оси симметрии со сдвигом, обеспечивающим симметричное расположение питающей линии над одним из проводников щелевой линии, вспомогательная микрополосковая линия, ширина которой равна ширине питающей микрополосковой линии, а длина равна длине отрезка щелевой линии, выполнена также на лицевой поверхности подложки, в подложке в зазоре щелевой линии выполнена продольная щель, длина и ширина который равны соответствующим размерам зазора в щелевой линии, оба диполя выполнены на лицевой поверхности подложки, причем расстояние между смежными кромками их узких печатных проводников равно их ширине, вспомогательная микрополосковая линия выполнена над вторым проводником отрезка щелевой линии симметрично, при этом начала питающей и вспомогательной микрополосковых линий гальванически соединены с соответствующими узкими печатными проводниками каждого из диполей, а конец питающей микрополосковой линии является входом антенны.
E
H
01
02
На фиг.1 изображена предлагаемая ДПДА в трех проекциях, на фиг.2 - эскиз предлагаемой ДПДА, которая служит 1-ой подложкой турникетной двухдиапазонной печатной антенны, на фиг.3 представлен эскиз модифицированной ДПДА со щелью, выполненной со стороны подключения коаксиального кабеля, которая служит 2-ой подложкой турникетной двухдиапазонной печатной антенны, на фиг.4 изображена турникетная двухдиапазонная печатная антенна на основе 1-ой и 2-ой вышеупомянутых подложек, на фиг.5 представлены теоретическая и экспериментальные частотные характеристики модуля входного коэффициента отражения ДПДА в логарифмическом масштабе (децибелах), на фиг.6 изображены экспериментальные диаграммы направленности по интенсивности поля F и F в плоскостях векторов напряженности электрического  и магнитного  полей на центральной частоте f=2.27 ГГц нижнего диапазона частот, на фиг.7 - те же диаграммы направленности на центральной частоте f=2.87 ГГц верхнего диапазона частот.
p
Предлагаемая ДПДА (фиг.1) содержит тонкую прямоугольную диэлектрическую подложку 1 с лицевой 2 и обратной 3 поверхностями, имеющую пару больших 4, 5 и пару малых 6, 7 сторон. На обратной поверхности 3 подложки 1 выполнен отрезок 8 щелевой линии с короткозамкнутым 9 и разомкнутым 10 концами так, что его продольная ось симметрии совпадает с большой осью симметрии "а"-"а" подложки 1, а разомкнутый конец 10 расположен вблизи ее малой стороны 6. Сплошной прямоугольный печатный проводник 11 с парой больших 12, 13 и парой малых 14, 15 сторон, ширина W которого несколько больше суммарной ширины отрезка 8 щелевой линии, выполнен также на обратной поверхности 3 подложки 1. Малая сторона 14 сплошного проводника 11 совпадает с короткозамкнутым концом 9 отрезка 8 щелевой линии, а другая малая сторона 15 проводника 11 совпадает со второй малой стороной 7 подложки 1 в центральной ее части. При этом краевое поле между стороной 15 печатного проводника 11 и малой стороной 7 подложки 1 в зоне их совпадения определяется разрешающей способностью технологического процесса формообразования печатного проводника 11 и составляет 0,3÷0,5 мм, что пренебрежимо мало по сравнению с размерами проводника 11 и подложки 1.
D
D
D
D
D
D
S
Два различных по длине параллельных диполя, большой из которых образован парой 16, 17, а малый - парой 18, 19 идентичных коллинеарных узких печатных проводников, выполнены на лицевой поверхности 2 подложки 1 так, что расстояние S между смежными кромками их узких печатных проводников равно их ширине W. При этом вследствие того, что расстояние S=W невелико, как большой, так и малый диполи расположены вблизи разомкнутого конца 10 отрезка 8 щелевой линии, но их суммарная ширина 2W+S не превышает расстояние S от разомкнутого конца 10 отрезка 8 до малой стороны 6 подложки 1, а внешние кромки узких печатных проводников 16 и 17 полностью совпадает с упомянутой малой стороной 6.
F
S
A
Питающая микрополосковая линия 20, ширина W которой в три-пять раз меньше ширины W проводника отрезка 8 щелевой линии, а длина равна длине большой стороны 4 подложки 1, выполнена на лицевой ее поверхности 2 параллельно большой ее оси симметрии «а»-«а» со сдвигом S, обеспечивающим симметричное расположение питающей линии 20 с продольной осью «b»-«b» над одним из проводников отрезка 8 щелевой линии. При этом начало 21 питающей микрополосковой линии 20 гальванически соединено с узкими печатными проводниками 16, 19 обоих диполей, что достигается за счет небольшого общего участка металлизации (фольги) на лицевой поверхности 2 подложки 1 в области гальванического соединения, реализуемого без использования пайки в технологическом цикле формирования проводящего печатного рисунка антенны. Конец 22 питающей микрополосковой линии 20 совпадает с малой стороной 7 подложки 1, так как длина питающей линии 20 равна длине большой стороны 4 подложки 1, и служит входом/выходом антенны. К этому концу припаивается центральный штырек коаксиально-микрополоскового перехода (на фиг.1 переход условно не показан), корпус которого должен иметь надежное гальваническое соединение с малой стороной 15 сплошного прямоугольного печатного проводника 11. При безразъемной коммутации к концу 22 линии 20 припаивается центральный проводник (жила) коаксиального кабеля, наружный проводник которого (оплетка) припаивается к малой стороне 15 проводника 11.
L
F
L
A
Вспомогательная микрополосковая линия 23 с разомкнутым концом 24, ширина W которой равна ширине W питающей микрополосковой линии 20, а длина L равна длине отрезка 8 щелевой линии, выполнена также на лицевой поверхности 2 подложки 1. При этом вспомогательная линия 23 расположена над вторым проводником отрезка 8 щелевой линии симметрично, то есть ее продольная ось «с»-«с» отстоит от большой оси симметрии «а»-«а» подложки 1 на такое же расстояние S, как и продольная ось «b»-«b» питающей микрополосковой линии 20. Начало 25 вспомогательной линии 23 гальванически соединено с узкими печатными проводниками 17, 18 обоих диполей, что достигается за счет небольшого участка металлизации (фольги) на лицевой поверхности 2 подложки 1 в зоне соединения, реализуемого в технологическом цикле изготовления антенны (то есть пайка не используется).
L
S
После окончания технологического цикла формирования металлизации проводящих рисунков лицевой 2 и обратной 3 поверхностей в диэлектрической подложке 1 в зазоре отрезка 8 щелевой линии выполняется (например, фрезерованием) продольная щель 26, длина и ширина которой равны соответствующим размерам L и D зазора между проводниками 10 отрезка 8 щелевой линии.
D
В заявленной ДПДА наибольшая концентрация излучения (максимум ее диаграммы направленности) в обоих диапазонах будет наблюдаться в направлении возрастания значений оси Z декартовой системы координат (фиг.1), перпендикулярной малой стороне 6 подложки 1. В то же время излучение в противоположном направлении малой стороны 7 подложки 1 будет существенно ослаблено, так как сплошной печатный проводник 11 соединяется гальванически с корпусом объекта установки, то есть фактически с «землей». При этом ширина W узких коллинеарных печатных проводников 16, 17 и 18, 19 обоих диполей выбирается в пределах (1,5…2) мм для обеспечения необходимой степени адгезии проводящей медной фольги с диэлектриком и слабо влияет на форму диаграмм направленности и уровень согласования в обоих диапазонах [см., например, работы: а) «Устройства СВЧ и антенны. Проектирование ФАР»/ Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радиотехника, 2003, - 632 с.; б) «Конструкторско-технологические основы проектирования полосковых микросхем» / Под ред. И.П.Бушминского. - М.: Радио и связь, 1987, - 272 с.].
r
r
Толщина Н диэлектрической подложки 1, являющейся несущим конструктивным элементом ДПДА, также слабо влияет на параметры диаграмм направленности и согласования в обоих диапазонах и учитывается при расчете длин узких печатных проводников 16, 17 и 18, 19 так, чтобы они составляли примерно четверть длины волны в окружающем свободном пространстве (см. вышеупомянутую работу под ред. Д.И.Воскресенского). Поэтому для изготовления ДПДА рекомендуется выбирать отечественные листовые фольгированные диэлектрики с относительной диэлектрической проницаемостью εи толщиной Н, равными: ε=2…6; Н=1…3 мм.
L
S
S
S
L
L
F
F
L
S
F
P
S
S
P
S
S
S
F
Более существенное влияние на характеристики заявленной ДПДА в обоих диапазонах оказывает длина (L-S) и ширина (2W+D) отрезка 8 щелевой линии, длина L и ширина W разомкнутой вспомогательной микрополосковой линии 23, а также ширина W питающей микрополосковой линии 20 (фиг.1). С точки зрения унификации изготовления антенны выбрано условие: W=W. При этом для обеспечения необходимой степени концентрации электромагнитного поля в диэлектрике микрополосковых линий 20 и 23 выбрано следующее условие: W=4W. Тем самым достигается почти 100%-ная передача энергии источника СВЧ сигнала от входа 22 к узким печатным проводникам 16, 17 и 18, 19 обоих диполей, где она далее излучается в верхнюю полусферу (Z>0) окружающего свободного пространства. Поскольку размер W малой стороны 15 сплошного прямоугольного печатного проводника 11 (то есть фактически - его ширина) превышает суммарную ширину (2W+D) отрезка 8 щелевой линии W>(2W+D) (фиг.1), то степень концентрации электромагнитной энергии в диэлектрике питающей линии 20 на участке ее прохождения над проводником 11 будет еще выше, чем на участке ее распространения над проводником 10 отрезка 8 щелевой линии, имеющим ширину W=4W.
F
0
F
В свою очередь ширина W питающей микрополосковой линии определяется по заданному значению волнового сопротивления ρ питающего коаксиального кабеля, стандартные уровни которого 50 или 75 Ом. Для нахождения ширины W используются графики рис.2.41 или рис.2.42 работы: «Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств» / Под ред. В.И.Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982, - 328 с. Возможно также использование Интернет-ресурсов, содержащих справочные данные по волновым сопротивлениям микрополосковых линий.
Принцип действия заявляемой ДПДА состоит в следующем.
S
0
L1
R1
01
L1
R1
L2
R2
01
02
F
01
02
01
02
01
02
01
02
01
02
D
01
02
L1
R1
L2
R2
01
02
Пусть к началу 22 питающей микрополосковой линии 20 через коаксиальный кабель от генератора с внутренним вещественным сопротивлением R=ρ (на фиг.1 генератор условно не показан) подводится СВЧ сигнал, амплитуда которого остается неизменной в широкой полосе частот, включающей в себя оба рабочих диапазона: нижний f…f с центральной частотой f=(f+f)/2 и верхний f…f с центральной частотой , которым соответствуют длины  и  центральных волн. При этом внутренний проводник кабеля (жила) гальванически соединяется с началом 22 (например, пайкой), а наружный проводник кабеля (оплетка) также гальванически соединяется с противоположной точкой малой стороны 15 сплошного прямоугольного печатного проводника 11. Поданный сигнал проходит питающую микрополосковую линию 20 и поступает в общий участок металлизации, гальванически соединяющий начало 21 питающей линии 20 и узкие печатные проводники 16 и 19 каждого из диполей. В результате на проводящей поверхности проводника 16 возникает интенсивный поверхностный ток проводимости лишь на частоте f нижнего диапазона, а на поверхности проводника 19 возникает тот же ток на частоте f верхнего диапазона. Поскольку толщина металлизации (фольги) t, составляющая порядка 15…30 мкм, пренебрежимо мала по сравнению с толщиной Н диэлектрической подложки 1, то узкие печатные проводники 16 и 19, несущие на себе интенсивные высокочастотные токи проводимости в нижнем и верхнем диапазонах соответственно, занимают лишь небольшую часть объема ДПДА. Фактически упомянутые токи проводимости на проводниках 16, 19 можно считать «нитевидными», то есть локализованными вдоль продольных осей проводников 16 и 19. Изменяющиеся во времени «нитевидные» высокочастотные токи проводимости, протекающие по неэкранированным проводникам 16 и 19, неизбежно приводят к существованию токов смещения соответствующих частот f и f в пространстве, окружающем оба проводника 16 и 19. Следовательно, по закону Максвелла о непрерывности полного тока существующие токи смещения разных частот f и f приводят к возникновению «нитевидных» поверхностных токов проводимости тех же частот f и f на проводящих поверхностях ничем не экранированных узких печатных проводников 17 и 18 соответственно. Поэтому направления «нитевидных» токов проводимости f (на проводниках 16, 17) и f (на проводниках 18, 19) ориентированы в одном и том же направлении оси x (фиг.1): либо орту (), либо орту (). При этом ток частоты f нижнего диапазона на поверхности проводников 18, 19 имеет пренебрежимо малую интенсивность так же, как ток частоты f верхнего диапазона на поверхности проводников 16, 17. Это обусловлено тем, что различные по длине параллельные диполи, каждый из которых образован парой 16, 17 и 18, 19 идентичных коллинеарных узких печатных проводников, хотя и расположены на небольшом расстоянии S друг от друга (фиг.1), но практически не взаимодействуют между собой. Иными словами, каждый диполь резонирует на своей частоте (f или f) и «вырезает» из спектра подведенного к концу 22 питающей линии 20 широкополосного сигнала для последующего эффективного излучения только небольшие диапазоны частот: нижний f….f и верхний f…f. На всех остальных частотах «нитевидные» поверхностные токи проводимости на проводниках 16, 17 и 18, 19, а также соответствующие им токи смещения в окружающем антенну пространстве имеют пренебрежимо малую интенсивность, и излучение энергии крайне мало. Эффективное излучение означает практически полный отбор мощности от источника сигнала на частотах f и f, то есть малый коэффициент отражения на входе ДПДА, коим является конец 22 питающей линии 20 (фиг.1).
16
17
18
19
L
S
L1
R1
L2
R2
0
01
02
S
1
L1
R1
2
L2
R2
S
A
Таким образом, при правильной настройке ДПДА (то есть при соответствующем подборе длин L=L и L=L проводников 16, 17 и 18, 19) возникает интенсивное излучение электромагнитной энергии в направлении орта (), перпендикулярном малой стороне 6 диэлектрической подложки 1. В то же время излучение в направлении орта () нижней полусферы, перпендикулярном малой стороне 7 подложки 1, будет существенно ослаблено. Наличие отрезка 8 щелевой линии с размерами Ws, Ds, (L-S) способствует симметрированию обоих параллельных диполей, образованных парами 16, 17 и 18, 19 идентичных коллинеарных узких печатных проводников (фиг.1). При этом проводники 17 и 18 гальванически соединены за счет общего участка металлизации с началом 25 вспомогательной микрополосковой линии 23, конец 24 которой разомкнут. Эта линия способствует согласованию обоих диполей, причем каждого в своей полосе частот f…f и f…f, с волновым сопротивлением ρ питающего коаксиального кабеля и формированию замкнутого по высокой частоте контура, вдоль которого протекают токи как частоты f, так и частоты f. Щелевая линия с зазором величиной D между проводниками, выполненными на обратной 3 поверхности подложки 1, обеспечивает поддержание необходимых условий согласования как в полосе Δf=f-f нижнего, так и в полосе Δf=f-f верхнего диапазона частот. При этом в отличие от прототипа на лицевой поверхности 2 подложки 1 в пределах всего зазора щелевой линии отсутствуют какие-либо проводящие фрагменты. Это позволяет выполнить, например, фрезерованием в подложке 1 продольную щель 26, длина и ширина которой равны соответствующим размерам зазора в отрезке 8 щелевой линии. Наличие щели 26 с воздушным диэлектриком внутри нее способствует более широкополосному согласованию и симметрированию обоих диполей, образованных проводниками 16, 17 и 18, 19, выполненными на лицевой поверхности 2, так как электромагнитное поле концентрируется в диэлектрике подложки 1 и локализуется со стороны лицевой поверхности 2 проводниками питающей линии 20 и вспомогательной 23 микрополосковых линий, а со стороны обратной поверхности 3 - проводниками отрезка 8 щелевой линии. В то же время наличие щели 26 позволит установить в ней перпендикулярно подложке 1 другую подложку, толщиной, не превышающей размер D. Если в качестве другой подложки взять заявляемую ДПДА, но со щелью, профрезерованной с противоположной стороны, то можно реализовать турникетную двухдиапазонную печатную антенну (ТДПА), в которой оба диполя как первой, так и второй ДПДА будут взаимно перпендикулярны, а их центры - совмещены. Именно такая пространственная компоновка необходима для реализации турникетных антенн. Поскольку продольные оси «b»-«b» и «с»-«с» соответственно питающей 20 и вспомогательной 23 микрополосковых линий сдвинуты на расстояние S от продольной оси «а»-«а» подложки 1 в разные стороны, то при реализации турникетной антенны не произойдет разрушения или замыкания линий 20 и 23 обеих подложек. Необходимо будет лишь пропаять (то есть реализовать гальваническое соединение) сплошные прямоугольные печатные проводники 11 обеих подложек для реализации общего заземленного теперь уже объемного (трехмерного) фрагмента ТДПА.
Описанная процедура иллюстрируется примером компоновки ТДПА, когда в качестве ее первой подложки берется заявляемая ДПДА (фиг.2), а в качестве ее второй подложки фигурирует ДПДА, аналогичная заявляемой, но со щелью, выполненной с противоположной стороны (фиг.3). После взаимной ориентации и совмещения обеих подложек формируется ТДПА (фиг.4), для питания которой необходимо предусмотреть полосковый мост, реализованный в виде отдельного 4-плечего (4-портового) устройства с номерами плеч 1, 2, 3 и 4 (фиг.4, позиция 27).
L1
R1
L2
R2
A
A
A
A
A
A
0
0
S
Конкретные величины геометрических размеров топологии предлагаемой ДПДА (иными словами: настройка антенны в целом) находятся как результат оптимального решения соответствующей системы электродинамических уравнений, формируемых с использованием метода конечных элементов во временной области. В итоге удается обеспечить эффективную концентрацию излучения в обоих рабочих диапазонах f…f и f…f. При этом изменяются полные комплексные сопротивления различных по длине диполей, больший из которых образован парой 16, 17, а малый - парой 18, 19 узких печатных проводников (фиг.1). Изменяются также электрическая длина  отрезка 8 щелевой линии и электрическая длина  вспомогательной микрополосковой линии 23 с разомкнутым концом 24. В результате СВЧ-генератор, как принято говорить, «видит» на входе антенны, коим является конец 22 питающей микрополосковой линии 20 (фиг.1), итоговое входное комплексное сопротивление ДПДА Z=R+jX, модуль |X| реактивной составляющей которого удается минимизировать в обоих рабочих диапазонах до (1…3)% от R за счет подбора (настройки) всех ключевых размеров. В то же время саму величину R удается эффективно приблизить к уровню волнового сопротивления ρ питающего коаксиального кабеля (ρ~R).
A
i
i
1
1
1
L1
R1
1
L2
R2
2
1
R1
L1
1
Поиск ключевых размеров ДПДА, указанных на фиг.1 и существенно влияющих на ее согласование и направленность излучения, осуществляется по разработанному Заявителем алгоритму поиска экстремума целевой функции F многих переменных, в качестве которых фигурируют ключевые размеры ДПДА (фиг.1). В свою очередь, целевая функция F формируется как сумма модулей коэффициентов отражения |G| ДПДА на частотах f(i=1,…,N, N+1, N+2,…,N2), взятых сначала в интервале f…f (N частотных точек), а затем в интервале f…f((N-N) частотных точек) с шагом δf=(f-f)/N:
,
здесь .
A
i
В последних соотношениях входное комплексное сопротивление Z(f=f) рассчитывается по материалам следующих работ:
- «Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн» / Б.А.Панченко, С.Т.Князев, Ю.Б.Нечаев и др. - М.: Радио и связь, 2002, - 256 с.
- «Микрополосковые антенны и решетки в слоистых средах» / В.В.Чебышев. - М.: Радиотехника, 2003, - 104 с.
- «Микрополосковые отражательные антенные решетки. Методы проектирования и численное моделирование» / Под ред. В.А.Обуховца. - М.: Радиотехника, 2006, - 240 с.
r
0
01
02
В результате нахождения минимума целевой функции F по методу сопряженных градиентов (описанном в работе: Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. «Практическая оптимизация» / Перевод с англ. - М.: Мир, 1985, - 509 с.) заявляемая ДПДА при использовании отечественного фольгированного диэлектрика ФАФ-4 (ε=2.5) толщиной Н=1.5 мм характеризуется для волнового сопротивления ρ=75 Ом и центральных частот f=2.27 ГГц, f=2.87 ГГц следующими оптимальными размерами, указанными на фиг.1 (в миллиметрах):
L
16
19
S
D
L=22; L=27; L=21; S=9; S=1.6;
D
F
L
S
P
W=2; W=2.4; W=2.2; W=4.5; W=22.
ст.U
min
01
02
02
Совокупность этих размеров обеспечивает минимальный уровень входного коэффициента стоячей волны напряжения (K)=1.08 на обеих частотах f, f (на f даже лучше), что следует из частотной характеристики модуля входного коэффициента отражения оптимизированной (настроенной) ДПДА (фиг.5, позиция 28, сплошная линия - теоретическая характеристика).
0
Для экспериментального подтверждения результатов решения поставленной задачи был изготовлен опытный образец заявляемой ДПДА с вышеприведенными геометрическими размерами. Антенна питалась коаксиальным кабелем РК-75-7-22 (ρ=75 Ом), а размеры подложки 1 (фиг.1) составили:
- длина больших сторон 4 и 5 - 90 мм;
- длина малых сторон 6 и 7 - 60 мм.
L1
R1
L2
R2
E
H
E
H
01
E
H
02
Входной коэффициент отражения заявляемой ДПДА (фиг.5, позиция 29, штриховая линия для диапазона f…f; позиция 30, штрихпунктирная линия для диапазона f…f) измерен с использованием генератора «качающейся» частоты «ГКЧ-57» и индикатора «Я2Р-67». Диаграммы направленности ДПДА по полю F и F измерены по критериям дальней зоны Фраунгофера в безэховых условиях антенной лаборатории с применением стандартных методик калибровки и измерений и с использованием клистронного генератора «Г3-22», микровольтметра-усилителя «В6-4» и поворотных устройств по азимуту и углу места с точностью установки углов ±1°. После компьютерной обработки результатов измерений построены соответствующие диаграммы направленности. Так на фиг.6, позиция 31 представлена диаграмма F для плоскости xoz вектора напряженности электрического поля, а позиция 32 - диаграмма F для плоскости yoz вектора напряженности магнитного поля на частоте f=2.27 ГГц. Диаграммы направленности F и F для частоты f=2.87 ГГц представлены соответственно на фиг.7 (позиции 33 и 34). Направления осей декартовой системы координат указаны на фиг.1.
Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о решении поставленной задачи: размер больших сторон 4 и 5 подложки 1 уменьшен по сравнению с прототипом на величину, равную половине длины высокочастотного (короткого) диполя, составляющую в данном конкретном случае 43%.
Кроме этого, в самой подложке в зазоре щелевой линии выполнена продольная щель, что в принципе невозможно в прототипе.
Указанные обстоятельства в совокупности позволяют рекомендовать заявляемую ДПДА для использования в стационарных и мобильных телекоммуникационных системах диапазона СВЧ как с линейной, так и с круговой/эллиптической поляризацией излучаемых/принимаемых радиосигналов, когда к системам предъявляются повышенные требования к уровню радиолокационной маскировки и «заметности».