СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА
ULTRA WIDEBAND ANTENNA

Область техники
Настоящее изобретение относится к сверхширокополосным (СШП) направленным антеннам с круговой поляризацией поля и может быть использовано для приема/передачи СШП ультракоротких импульсов, а также узкополосных сигналов с перестраиваемой несущей частотой.
Предшествующий уровень техники
СШП антенны с круговой поляризацией активно применяются в фиксированных системах связи в случае необходимости передачи данных к оконечному пользователю при условии, что поляризация его антенны неизвестна. Примерами таких устройств могут быть устройства связи, расположенные вблизи поверхности тела человека (стандарт BAN). Плоская спиральная антенна является известным типом планарных СШП излучателей, которые используют принципы самодополнительности и электродинамического самоподобия. Щелевые и микрополосковые спиральные антенны широко применяются в различных системах. Для того чтобы сделать излучение таких антенн однонаправленным, используются отражательные поверхности или поглотители, расположенные с одной из сторон спирали. Эти методы существенно ухудшают широкополосность и КПД антенны.
Широко освещены в литературе полосковые «патч» (металлические пластины) резонаторы (многоярусные плоские печатные резонаторы), соединенные с питающей линией посредством щелевой апертуры, используемые в качестве излучателей СШП сигнала. В подобных системах при использовании нерезонансных апертур для диаграммы направленности можно обеспечить свойство однонаправленности. Но в таком случае возникает трудность с требованием излучения сигнала круговой поляризации, которая является естественным следствием спиральной антенной структуры.
Из документа US 2012229363 известна направленная широкополосная антенна, предназначенная для улучшения сотового покрытия в здании, содержащая спиральную антенну с точкой питания для переноса энергии к/от антенны, поглотитель энергии с обратной стороны для уменьшения обратного лепестка диаграммы направленности, резонатор позади логарифмической спиральной щелевой антенны и перед поглотителем энергии и кабельный разъем, связанный с профилированной микрополосковой линией, связанной с точкой питания и предназначенной для трансформации входного импеданса в антенный импеданс. Недостатком данного решения являются высокие потери, обусловленные поглотителем, которые могли бы быть уменьшены при использовании многоярусных плоских печатных резонаторов, что, однако, усложняет конструкцию антенн.
Из US 7106255 В2 известна антенна, содержащая первый патч с по меньшей мере одной щелеподобной частью, второй патч с по меньшей мере одной щелеподобной частью, причем эти щелеподобные части по меньшей мере частично пересекаются с образованием области связи. Недостатком подобной антенны является то, что ее коэффициент усиления недостаточен для осуществления связи на больших расстояниях. Кроме того, данная антенна не имеет круговой поляризации, что может привести к ухудшению стабильности связи при изменении взаимного положения принимающего и передающего устройств, что не позволяет использовать данную антенну для связи между стационарным и портативным мобильным устройствами.
Антенна, описанная в US 20040119642 A1, предназначена для приема/передачи сигналов с круговой поляризацией и использует полосковые элементы специальной формы. К ее недостаткам следует отнести то, что ее коэффициент усиления недостаточен для вышеуказанных приложений.
Сущность изобретения
Использование данного изобретения позволяет создавать СШП щелевые спиральные антенны с круговой поляризацией поля, направленность которых не уступает известным однонаправленным спиральным антеннам, однако за счет применения связанных со спиралью плоских печатных резонаторов однонаправленное излучение формируется естественным образом в широкой или сверхширокой полосе частот (в зависимости от сложности и количества резонаторов). Таким образом, технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в том, что использование с обратной стороны спирали поглотителя становится необязательным, а при его установке не приводит к существенным потерям мощности излучения, при этом заметно увеличивается коэффициент усиления антенны круговой поляризации.
Указанный технический результат достигается тем, что сверхширокополосная антенна для сверхширокополосной связи с портативными мобильными устройствами в соответствии с изобретением содержит диэлектрическую подложку, по меньшей мере одну питающую линию, выполненную на диэлектрической подложке, спиральный излучающий элемент, выполненной на подложке и связанный с упомянутой по меньшей мере одной питающей линией, по меньшей мере одну дополнительную диэлектрическую подложку, расположенную параллельно над упомянутой диэлектрической подложкой, причем на упомянутой по меньшей мере одной дополнительной диэлектрической подложке выполнен плоский печатный резонатор осесимметричной формы, расположенный соосно со спиральным излучающим элементом.
Упомянутая питающая линия предпочтительно выполнена как питающая микрополосковая линия (МПЛ) или как копланарная линия.
Предпочтительным образом, на стороне диэлектрической подложки, обращенной к упомянутой по меньшей мере одной дополнительной диэлектрической подложке, выполнен экран из проводящего материала, упомянутый спиральный излучающий элемент выполнен как спиральная щель в упомянутом экране, и при этом упомянутая спиральная щель связана с упомянутой по меньшей мере одной МПЛ через соответствующий дополнительно введенный сверхширокополосный трансформатор МПЛ-щель.
При этом спиральная щель может быть выполнена в форме, выбранной из группы, включающей в себя архимедову спираль и логопериодическую спираль.
Металлические печатные резонаторы предпочтительно могут быть выполнены в одинаковой форме с одинаковыми размерами. При этом форма металлических печатных резонаторов может быть выбрана из группы, включающей в себя круг, эллипс, восьмиугольник, шестиугольник.
Металлические печатные резонаторы предпочтительно имеют осесимметричные вырезы.
В возможном варианте осуществления со стороны упомянутой диэлектрической подложки, противоположной дополнительным диэлектрическим подложкам, может быть размещен поглощающий материал.
В возможных вариантах осуществления упомянутая по меньшей мере одна дополнительная диэлектрическая подложка может быть отделена от упомянутой диэлектрической подложки воздушным зазором, или зазором, заполненным диэлектриком с низкой диэлектрической проницаемостью, например пенопластом, или зазором с большой диэлектрической проницаемостью.
Указанный выше технический результат также достигается в соответствии с изобретением антенной системой, выполненной в виде антенной решетки, содержащей по меньшей мере две сверхширокополосные антенны, выполненные согласно любому из описанных выше вариантов осуществления.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - общий вид варианта осуществления антенны, выполненной в двухзаходной конфигурации;
фиг.2 - вид сверху, детализирующий планарные структуры элементов конструкции антенны по фиг.1.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг.1, 2 представлен общий вид предлагаемой антенны в случае использования двухзаходной спирали и двух связанных резонаторов. При этом на чертежах приняты следующие обозначения: 101, 102 - питающие микрополосковые линии (МПЛ), 103 - подложка МПЛ, 104 - экран МПЛ, 105, 106 - СШП трансформаторы МПЛ-щель, 107 - двухзаходная спиральная щель, 108, 109 - подложки связанных резонаторов, 110, 111 - связанные печатные резонаторы, 112 - поглотитель, 113, 114 - отверстия в резонаторах 110 и 111 соответственно.
Как показано на чертежах, спиральная антенна 100, соответствующая изобретению, имеет следующую структуру: на диэлектрической подложке 103 выполнены питающие микрополосковые линии (МПЛ) 101, 102, предназначенные для возбуждения через соответствующий СШП трансформатор 105, 106 щелевой линии 107, выполненной в экране 104 МПЛ. Как показано на фиг.1, соответствующий прямолинейный отрезок щелевой линии плавно переходит в спиральный. При этом спираль может иметь любую из известных форм: архимедова, логарифмическая и т.д. С верхней стороны от экрана 104 МПЛ 101, 102, где выполнена щелевая спираль 107, расположены одна над другой плоские несущие диэлектрические подложки 108, 109. На подложках 108, 109 выполнены плоские печатные резонаторы 110, 111. Число и форма резонаторов 110, 111 могут варьироваться, однако существенным требованием является их идентичность по двум ортогональным осям для обеспечения качества круговой поляризации (круг, квадрат, крест и т.п.). С другой стороны от спиральной антенны 100 располагается слой поглотителя 112 для устранения оставшегося обратного излучения щелевой спирали 107. Щелевая спираль может быть выполнена как однозаходной для упрощения конструкции, так и двухзаходной. В случае использования двухзаходной спирали требуется применять синфазный СШП делитель питающей линии.
СШП антенна 100 (фиг.1), выполненная в соответствии с изобретением, может быть использована в составе фиксированных устройств, для передачи и приема СШП радиосигналов от миниатюрных мобильных устройств, работающих в сетях связи в непосредственной близости от поверхности тела. Для повышения производительности в таких сетях поляризация излучаемого сигнала должна быть круговой.
СШП антенна 100 может быть изготовлена из любого материала для многослойных печатных плат, таких как FR-4, Rogers и др. СШП антенна 100 запитывается через МПЛ 101 и 102, выполненные на нижней поверхности диэлектрической подложки МПЛ 103. С верхней стороны подложки МПЛ 103 находится металлический экран МПЛ 104. Непосредственно в экране МПЛ 104 выполнены (в виде вырезов) СШП трансформаторы 105 и 106 МПЛ-щель и двухзаходная спиральная щель 107.
СВЧ сигналы, поступающие на МПЛ 101 и 102, приходят в трансформаторы 105, 106 МПЛ-щель. Трансформаторы 105 и 106 переводят сигнал в спиральную щель 107. Спиральная щель 107 излучает эти сигналы в окружающее пространство. В исходном состоянии щель 107 излучает в верхнюю и в нижнюю полусферы (полупространства). При размещении над щелью 107 резонаторов 110 и 111 СВЧ сигнал перераспределится в верхнюю полусферу.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения МПЛ 101 и 102 могут питаться от единой точки с применением дополнительного СВЧ делителя мощности.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения МПЛ может быть заменена на проводник другого типа, например копланарную линию. В этом случае трансформаторы 105 и 106 также должны быть рассчитаны на соответствующий копланарный вход.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения спиральная щель 7 может быть заменена на спиральную микрополосковую линию. В этом случае МПЛ 101 и 102 могут непосредственно подключаться к спиральной линии и необходимость в использовании трансформаторов 105 и 106 отпадает. Также не нужен в этом случае и экран 104.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения спиральная щель 107 может иметь форму архимедовой спирали, либо логопериодической, либо спирали любого другого вида.
Сверху над подложкой МПЛ 103 на определенном расстоянии находятся параллельные ей подложки связанных резонаторов 108 и 109, на верхних поверхностях которых находятся металлические связанные печатные резонаторы 110 и 111. Металлические связанные печатные резонаторы 110 и 111 имеют вырезы 113 и 114 соответственно. Эти вырезы обеспечивают дополнительное улучшение свойства круговой поляризации.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения поглощающий материал 112 размещен с нижней стороны подложки МПЛ 103.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения число параллельных подложек 108 и 109 с металлическими связанными печатными резонаторами 110 и 111 не менее двух.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения подложки 108 и 109 и подложка МПЛ 103 имеют между собой воздушные зазоры.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения подложки 108 и 109 и подложка МПЛ 103 имеют между собой зазоры, заполненные диэлектриком с низкой диэлектрической проницаемостью, например пенопластом.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения подложки 108 и 109 и подложка МПЛ 103 имеют между собой диэлектрик с большой диэлектрической проницаемостью. Это ведет к уменьшению общей толщины антенны, а также к сужению рабочей полосы частот в сравнении с предыдущей реализацией.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения резонаторы 110 и 111 имеют форму с практически одинаковыми размерами по всем сечениям, например круг, эллипс, восьмиугольник, шестиугольник и т.д. Наилучший вариант формы с точки зрения обеспечения круговой поляризации излучаемого сигнала - это круг, тогда как, например, квадратные плоские печатные резонаторы привели бы к ухудшению круговой поляризации сигнала.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения резонаторы 110 и 111 имеют вырезы внутри, выполненные в форме круга, эллипса, шестиугольника, восьмиугольника и т.д.
Антенна 100 имеет диаграмму направленности, ориентированную в основном вверх (соответствует представлению на фиг. 1). Такое свойство достигается за счет применения связанных печатных резонаторов 110, 111, а также поглотителя 112 с нижней стороны. Это позволяет использовать антенну в тех приложениях, в которых положение мобильного устройства всегда будет перед антенной 100. Кроме того, для придания специальной формы диаграмме направленности (например, широкой в Е-плоскости и узкой в Н-плоскости) можно объединять антенну 100 в решетку.
Кроме того, в антенне 100 в качестве излучателя сигнала используется двухзаходная спиральная щель 107. Благодаря этому, независимо от положения антенны на мобильном устройстве по отношению к антенне 100 обеспечивается стабильность радиосвязи.
Наилучший вариант осуществления предложенной антенны 100 содержит:
- подложку МПЛ, выполненную из диэлектрического материала;
- МПЛ, предназначенную для питания антенны и выполненную на нижней стороне диэлектрической подложки МПЛ;
- металлический экран МПЛ, выполненный на верхней стороне диэлектрической подложки МПЛ;
- СШП трансформатор МПЛ-щель, выполненный в форме вырезов в упомянутом экране МПЛ и конического расширения на конце МПЛ;
- двухзаходную архимедову спиральную щель, выполненную в упомянутом экране МПЛ;
- набор диэлектрических несущих подложек, расположенных на некотором расстоянии над упомянутой подложкой МПЛ параллельно ей;
- набор диэлектрических несущих подложек имеет воздушные зазоры между всеми слоями;
- набор связанных резонаторов, расположенных на поверхностях упомянутых несущих подложек и имеющих форму круга для обеспечения наилучшей характеристики круговой поляризации;
- набор вырезов, выполненных в каждом из упомянутых связанных резонаторов и имеющих форму круга.
Предложенная антенна может быть использована для беспроводной связи между устройствами, расположенными вблизи тела, с устройствами, находящимися вне тела. Предложенная антенна имеет широкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и узкую диаграмму в вертикальной, благодаря чему ее диаграмма направленности фиксирована и имеет большой коэффициент усиления. Из-за большого коэффициента усиления антенны она может быть использована для связи на достаточно большом расстоянии и в соответствии со стандартом IEEE 802.15.6 для беспроводных сетей, работающих вблизи поверхности тела. Устройство, содержащее предложенную антенну, может быть стационарным (например, телевизор).