МНОГОДИАПАЗОННАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА

Назначение
Полезная модель относится к радиотехнике, а именно, к многодиапазонным микрополосковым антеннам. Может быть использована в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, в частности, на космических аппаратах.
Уровень техники
Микрополосковые антенны, изготовляемые по технологии интегральных схем, широко используются в различных радиоэлектронных системах. Данный тип антенн обеспечивает высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры, массу. Микрополосковые антенны способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, допускают удобные решения для обеспечения работы в двух- или многочастотных режимах и т.д. [Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь. 1986. 144 с.].
Известна двухчастотная микрополосковая антенна по патенту РФ на изобретение №2471272, которая относится к антенной технике, в частности к антеннам глобальных спутниковых навигационных систем. Эта антенна содержит проводящий экран и расположенные противоположно ему внутреннюю (центральную) излучающую (проводящую) пластину и внешнюю (периферийную) излучающую (проводящую) пластину и систему питания с соответствующими возбуждающими штырями для внутренней и внешней пластинки, причем внутренняя пластинка выполнена в форме круглого диска с набором выступов по краю, а внешняя пластинка выполнена в форме кольца с соответствующим набором выступов на внутренней стороне кольца, при этом соответствующие выступы внутренней пластинки расположены внутри (вложены) выступов внешней пластинки (один внутри другого). Таким образом, соответствующие выступы внутренней пластинки вложены и расположены в пазах, образованных соответствующими выступами внешней пластинки. В выступах внешней пластинки расположены вертикальные проводящие элементы, которые проходят через внешнюю пластинку и гальванически соединяют внешнюю пластинку с упомянутым проводящим экраном, а между экраном и внешней пластинкой по ее внешнему периметру (краю) имеется диэлектрическое заполнение. Выступы внутренней пластинки расположены в пазах, образованных выступами внешней пластинки таким образом, чтобы имелся определенный зазор между этими выступами. Выступы могут быть выполнены прямоугольной, квадратной, трапецеидальной или другой формы, имеющей определенную площадь поверхности.
Недостатками данной антенны является сложная конструкция самой антенны, включающая большое количество элементов, сложная схема запитывания антенны.
Известна микрополосковая антенна по патенту РФ на изобретение №2480870, которая относится к антенной технике, в частности к приемопередающим многодиапазонным антеннам. Антенна содержит разрезные кольцевые антенные элементы, выполненные из сегментов кольцевых планарных проводящих дорожек, зазор между соседними сегментами в местах их стыковки составляет 0,1-0,5 мм, планарный антенный элемент, сформированный во внутреннем кольцевом антенном элементе, средства питания, включающие направленный ответвитель, два штыря, четыре отрезка полосковых линий, соединенные с планарным антенным элементом и каждая с сегментами кольцевых антенных элементов, планарный антенный элемент снабжен четырьмя щелями, расположенными от края к центру, причем четыре отрезка полосковых линий расположены возле краев четырех щелей симметричным образом, а антенные элементы и отрезки полосковых линий выполнены на общей диэлектрической подложке, а основание антенны выполнено на внешней обкладке направленного ответвителя на основе связанных полосковых линий.
Недостатком данной антенны является сложная конструкция самой антенны, сложная система запитки антенны.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является многодиапазонная микрополосковая антенна по патенту РФ на изобретение №2315398. Данная антенна состоит из четырех антенных элементов. Также имеются разделительная плата, два запитывающих штыря и проводящий экран, причем каждый антенный элемент имеет отверстие для прохождения коаксиального кабеля.
Недостатком данной антенны является выступающая конструкция антенны этажерочного типа для обеспечения работы антенны в многочастотном режиме. Для осуществления запитки такой антенны применяется несколько штырей, что приводит к ухудшению энергетических характеристик антенны из-за их влияния друг на друга (необходимо выполнять требования по развязке между двумя запитывающими штырями), требует дополнительных действий при ее настройке для уменьшения этого взаимовлияния, а также усложняет конструкцию самой антенны. Также данная антенна обладает сложной технологией изготовления.
При построении двухчастотных микрополосковых антенн применяют следующее соотношение:
1
2
где f, f - резонансные (рабочие) частоты двухчастотной антенны, a - ширина излучателя антенны; b - длина излучателя антенны.
При построении микрополосковой антенны на две рабочие частоты одного диапазона длин волн (например, сантиметровый диапазон) габариты антенны, рассчитанные по соотношению (1), приемлемы для использования в качестве бортовой антенны для малых космических аппаратов.
1
2
1
2
1
2
Однако, если разность двух резонансных (рабочих) частот Δf превышает полосу одного из каналов, например Δf=|f-f|>30 МГц, а отношения Δf/f и Δf/f больше чем 10-15%, то полученные по формуле (1) габариты антенн становятся неприемлемыми для использования такой двухдиапазонной микрополосковой антенны в качестве бортовой антенны малого космического аппарата. При разработке бортовых антенн особое внимание уделяется размещению их на поверхности космического аппарата, что в свою очередь накладывает жесткие ограничение по массогабаритным показателям антенн. Например, при f=100 МГц (метровый диапазон (30 МГц - 300 МГц)) и f=400 МГц (дециметровый диапазон (300 МГц - 3 ГГц)) отношение сторон такой двухчастотной микрополосковой антенны a/b=1/3, т.е. одна сторона излучателя должна быть больше другой в 3 раза.
Учитывая, что габариты одной из сторон микрополосковой антенны рассчитываются по следующему соотношению
где λ - длина волны, ε - значение диэлектрической подложки микрополосковой антенны, то, из (1) видно, что габариты такой двухчастотной микрополосковой антенны (метрового и дециметрового диапазонов) получаются примерно 0,3×0,9 м.
Если рабочие частоты разнесены по частотной оси достаточно далеко друг от друга, то на каждой из них одно из сопротивлений существенно меньше другого, как сопротивление параллельного контура при сильной расстройке, а входное сопротивление двухчастотного излучателя практически равно входному сопротивлению одночастотного излучателя на соответствующей частоте.
Целью создания полезной модели является упрощение конструкции многодиапазонной микрополосковой антенны (рабочие диапазоны метровый и дециметровый) при обеспечении высоких показателей по энергетическим характеристикам.
Раскрытие полезной модели
Как правило, к энергетическим характеристикам бортовых антенн космических аппаратов предъявляются следующие требования:
- коэффициент стоячей волны бортовых антенн космических аппаратов - не более 2 (при оценке этого параметра можно оценить ширину полосы пропускания антенны);
- ширина диаграммы направленности бортовых антенн космических аппаратов -не менее ±60°;
- коэффициент усиления бортовых антенн космических аппаратов - не менее 1 дБ.
Предлагаемая многодиапазонная микрополосковая антенна обеспечивает все эти требования по энергетическим характеристикам, работая в нескольких диапазонах и имея простую конструкцию.
Антенна выполнена в виде плоского фольгированного с обеих сторон диэлектрика прямоугольной формы, на одной плоской стороне которого размещен печатный проводник, на обратной - проводящий экран. В толще диэлектрика выполнено отверстие для прохождения коаксиального кабеля и закреплено средство для подвода питания антенны. Фольгированный диэлектрик имеет плоскую прямоугольную форму с соотношением сторон от 0,5 до 1. Средство для подвода питания антенны выполнено в виде одного питающего штыря.
Сущность заключается в определенном соотношении сторон излучателя антенны, что позволяет обеспечить работу антенны в многодиапазонном режиме при использовании питающего штыря, расположенного в определенной точке запитки. При этом большая сторона излучателя антенны обеспечивает излучение в метровом диапазоне длин волн, а меньшая - в дециметровом. Оптимальное место расположения штыря определяется экспериментально с помощью измерения одной из волновых характеристик антенны - коэффициента стоячей волны в точках, расположенных по продольной оси симметрии антенны. Таким образом, при наличии лишь одного питающего штыря, обеспечивается получение многодиапазонного режима работы микрополосковой антенны.
Каждый из введенных признаков, а именно:
- определенное соотношение сторон излучателя,
- плоская (не выступающая) конструкция антенны,
- наличие единственного питающего штыря работает на одну цель - упрощение конструкции антенны.
Преимущества предлагаемой антенны заключаются в следующем:
- упрощение конструкции многодиапазонной микрополосковой антенны (в виде параллелепипеда) по сравнению с прототипом (этажерочной конструкции);
- упрощение способа крепления плоской, не выступающей конструкции антенны на рабочую поверхность, например, борт КА, по сравнению с крепежом антенны этажерочного типа;
- упрощение схемы запитки антенны, а, следовательно, и всей антенны, так как не требуется дополнительных действий по согласованию антенны с фидерным трактом в сторону уменьшения потерь в нем (в прототипе требуется устранение взаимовлияния нескольких штырей).
Достигается и вторичный эффект - высокая надежность за счет простой конструкции, благодаря минимальному количеству элементов (чем меньше элементов входит в конструкцию антенны, тем больше ее надежность).
Перечень графических фигур
Фиг. 1 3D-модель многодиапазонной микрополосковой антенны.
Фиг. 2 График общей зависимости коэффициента стоячей волны многодиапазонной микрополосковой антенны, где по оси абсцисс отложена частота в МГц, а по оси ординат значение коэффициента стоячей волны.
Фиг. 3 График зависимости коэффициента стоячей волны многодиапазонной микрополосковой антенны в метровом диапазоне, где по оси абсцисс отложена частота в МГц, а по оси ординат значение коэффициента стоячей волны.
Фиг. 4 График зависимости коэффициента стоячей волны многодиапазонной микрополосковой антенны в дециметровом диапазоне, где по оси абсцисс отложена частота в МГц, а по оси ординат значение коэффициента стоячей волны.
Фиг. 5 График зависимости диаграммы направленности много диапазонной микрополосковой антенны, где по оси абсцисс отложены значения угла в градусах, а по оси ординат значение напряженности поля Е в дБ.
Фиг. 6 График зависимости коэффициента усиления многодиапазонной микрополосковой антенны, где по оси абсцисс отложены значения угла, а по оси ординат значение коэффициента усиления в дБ.
Осуществление полезной модели
Многодиапазонная микрополосковая антенна, представленная на фигуре 1, состоит из излучателя 1 прямоугольной формы, расположенного на металлизированной (фольгированной) диэлектрической подложке 2, имеющей форму прямоугольника (параллелепипеда). Запитка антенны осуществляется с помощью коаксиального кабеля в точке запитки 3, которая расположена на поверхности излучателя 1. При этом точка запитки антенны расположена на оси симметрии излучателя на расстоянии примерно 2/3 длины излучателя. Точное место точки запитки антенны 3 осуществляется путем ее перемещения вдоль оси симметрии антенны при измерении коэффициента стоячей волны. В указанном месте, с помощью сверления отверстия и затем пайки, осуществляется заделка коаксиального кабеля либо высокочастотного соединителя.
С помощью системы автоматизированного проектирования Electromagnetic Professional (EMPro), для проектирования антенн и устройств СВЧ, было осуществлено электродинамическое моделирование модели многодиапазонной микрополосковой антенны. Для моделирования были использованы следующие входные данные:
- материал диэлектрика - фольгированный арилокс листовой наполненный (ФЛАН);
- значение диэлектрической проницаемости ε б/р - 10;
-3
- значение тангенса диэлектрических потерь tgδ б/р - 1,5 10;
- толщина подложки - 20 мм;
- запитка антенны осуществлялась с помощью штыря, который проходил через диэлектрик и соединялся с излучателем;
- точка запитки была расположена на оси симметрии антенны на расстоянии примерно 2/3 длины от торца с соединителем;
- метод моделирования - метод конечных элементов;
- габариты излучателя модели антенны - 220×125×1 мм (125/220≈0,6);
- габариты подложки модели антенны - 230×160×20 мм;
- габариты экрана модели антенны - 300×300×30 мм.
Из фигуры 2 видно, что антенна обладает двумя резонансами: один в метровом диапазоне, а другой в дециметровом.
Из фигуры 3 видно, что рабочей частотой предлагаемой модели антенны является 247 МГц, что в свою очередь соответствует метровому диапазону волн (30 МГц - 300 МГц), а значение коэффициента стоячей волны на рабочей частоте 247 МГц составляет 1,4 и не превышает заданного предела равного 2 в достаточно широком диапазоне частот (примерно ±10 МГц).
Из фигуры 4 видно, что рабочей частотой предлагаемой модели антенны является 945 МГц, что в свою очередь соответствует дециметровому диапазону волн (300 МГц - 3 ГГц), а значение коэффициента стоячей волны на рабочей частоте 945 МГц составляет 1,1 и не превышает заданного предела равного 2 в достаточно широком диапазоне частот (примерно ±12 МГц).
Из фигуры 5 видно, что диаграмма направленности предлагаемой модели антенны имеет преимущественное направление на центр Земли (излучение вдоль оси абсцисс) на обеих частотах, а также обеспечивает излучение в пределах ±65° на обеих частотах, т.е. достаточно широкая.
Из фигуры 6 видно, что коэффициент усиления предлагаемой модели антенны в направлении центра Земли составляет порядка 4 дБ (усиление вдоль оси абсцисс), а усиление в пределах ±60° составляет примерно 1,2 дБ, т.е. данная модель антенны обладает достаточно хорошим коэффициентом усиления. Описание работы антенны:
По коаксиальному кабелю происходит запитка антенны в точке запитки 3. Подача напряжения в эту точку вызывает возбуждение двух ортогональных вырожденных типов колебаний в одной точке. Излучение энергии излучателем 1, который расположен на диэлектрической подложке 2, в пространство осуществляется свободными, не закрытыми металлом, боковыми торцами антенны.
Таким образом, предлагаемая многодиапазонная микрополосковая антенна обладает более простой конструкцией, которая обеспечивает работу антенны в многодиапазонном режиме, высокой надежностью, простотой изготовления, а также обеспечивает высокие энергетические характеристики (коэффициент стоячей волны, диаграмма направленности, коэффициент усиления).