МАЛОРАЗМЕРНАЯ МНОГОДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА

Заявляемое на полезную модель устройство относится к области радиоэлектроники и представляет собой антенну СВЧ уменьшенного размера, которая может использоваться как антенный элемент в телефонах мобильной связи, системах передачи цифровой информации типа сетей Wi-Fi, Wi-Max, устройствах локации, например в системах предупреждения столкновений автомобилей, а также во многих других случаях, когда требуется антенный элемент минимальных габаритов.
Принципиальные ограничения для малоразмерных по сравнению с длиной волны сигнала антенн изложены, например, в работе L.J.Chu и R.C.Hansen (Proc/IEEE, v.69, N2, февраль 1981 г.). Эти ограничения при заданных конкретных размерах антенны позволяют определить максимальную полосу пропускания антенны или при заданной полосе антенны ее коэффициент усиления. Из них же следует, что рабочие характеристики антенны зависят от того насколько конструкция ее излучающего проводника эффективно использует выделенный антенне объем. Многие малоразмерные антенны выполняются таким образом, чтобы максимально заполнить поверхности выделенного антенне объема проводником. Известны, например, малоразмерные антенны СВЧ, выполненные на основе проводников в виде кривых максимально заполняющих пространство, нанесенных на боковые и верхнюю грань диэлектрической прямоугольной подложки, представляющей собой несущую конструкцию антенны. Такие устройства описаны, например, в патенте Российской Федерации №2263378 от 27.10.2005, европейских патентах №ЕР1912280(А2) от 16.04.2008 г., №ЕР2028717(А1) от 25.02.2009 г., №ЕР2034555(А1) от 11.03.2009 г. Сущность этих антенн заключается в выполнении проводников плеч симметричного или несимметричного вибраторов в виде зигзагообразных отрезков прямых с электрической длиной элементов зигзага меньшей λ/10, нанесенных на грани прямоугольного диэлектрического элемента, и имеющих форму максимально заполняющую грань, т.е. кривых имеющих максимально возможную длину на данной площади грани. Выполнение проводников в виде таких кривых приводит к получению следующих преимуществ антенны: при заданных физических размерах подложки антенна может работать на более низкой частоте, при заданной рабочей частоте антенны ее размер может быть уменьшен. Однако эти устройства имеют тот недостаток, что отрезки проводников расположены параллельно друг другу и близко друг от друга, и в них текут близкие по амплитуде и фазе встречно направленные высокочастотные токи, поскольку электрические длины элементов проводника малы (как правило меньше λ/10). Эти токи создают в дальней зоне антенны электромагнитные поля близкой амплитуды, но противоположной фазы (из-за противоположного направления токов) в значительной мере компенсирующие друг друга. Это можно трактовать (см. упомянутую выше работу) как повышение добротности антенны из-за относительно большого уровня реактивной энергии, накапливаемой в ближней зоне, по сравнению с излучаемой в дальнюю зону. Высокое значение добротности приводит к уменьшению ширины рабочего диапазона антенны при заданном коэффициенте усиления, либо приводит к уменьшению результирующего коэффициента усиления антенны при широкой полосе пропускания. Кроме того, в антеннах используется не весь выделенный объем, а только верхняя и боковые поверхности подложки.
Устройство «Многополосная антенна, расположенная на объемной подложке» предложенное в патенте ЕР 2028717 (А1) (Кл. H01Q 1/38, H01Q 9/04, Н01Q 1/36) является наиболее близким по конструкции к заявляемому.
Известное устройство содержит прямоугольную, например кубическую, объемную диэлектрическую подложку из материала с невысоким значением диэлектрической проницаемостью ε, на боковых и верхней гранях которой нанесены излучающие элементы в виде групп последовательно соединенных с друг другом плоских периодических зигзагообразных проводящих сегментов, причем длина элемента каждого сегмента меньше чем одна десятая рабочей длины волны в свободном пространстве, а суммарная длина каждого из излучающих элементов близка к четверти длины волны на рабочей частоте антенны. Одними концами излучающие элементы подключены к общему входу антенны, а к свободным концам излучающих элементов подключены согласующие Т-образные цепи из реактивных элементов. Однако это устройство имеет тот недостаток, что при широкой полосе пропускания его коэффициент усиления мал, поскольку токи через соседние параллельные проводники антенны взаимодействуют, они близки по амплитуде и фазе, но противоположны по направлению. Токи этих проводников создают в дальней зоне антенны электромагнитные поля близкой амплитуды, но противоположной фазы в значительной мере компенсирующие друг друга. Следовательно, рабочая полоса антенны будет мала, или при широкой полосе рабочих частот антенны будет мал коэффициент усиления из-за высокой добротности антенны.
Задачей, решаемой полезной моделью, является увеличение рабочей полосы частот при постоянном коэффициенте усиления антенны или увеличение коэффициента усиления при постоянной полосе частот за счет уменьшения взаимодействия соседних проводников излучателей.
Поставленная задача решается за счет того, что как и известное устройство, заявляемая антенна содержит экран, на котором расположена объемная диэлектрическая подложка прямоугольной формы, излучающие элементы, сформированные из множества плоских зигзагообразных сегментов проводника, электрически соединенных друг с другом последовательно в группы по числу рабочих диапазонов антенны, так что суммарная длина всех сегментов каждой группы равна четверти длины волны на центральной частоте одного из рабочих диапазонов частот антенны, причем упомянутые группы проводников на одном из концов подключены к общему входу антенны, а вторые концы групп проводников предназначены для подключения к согласующим устройствам. Но, в отличие от известного устройства, в заявляемой антенне диэлектрическая подложка выполнена многослойной, относящиеся к одной группе не периодические зигзагообразные сегменты проводника разделены слоями подложки, при этом слои с сегментами проводников групп последовательно чередуются, а расположенные в разных слоях зигзагообразные сегменты проводника выполнены с взаимно ортогональным пересечением, причем последовательное соединение расположенных в разных слоях относящихся к одной группе зигзагообразных сегментов проводника и подключение упомянутых групп проводников к общему входу антенны выполнено с помощью межслойных проводящих соединений. Кроме того вершины упомянутых зигзагообразных сегментов проводников на каждом слое подложки расположены на границах подложки.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что в заявляемой антенне, в отличие от известных, проводником заполнен весь выделенный антенне объем, а не только боковые и верхние грани подложки, в антенне практически отсутствуют параллельные участки проводников с противоположными направлениями токов в них за счет непериодической формы зигзагов и взаимно ортогонального пересечения проводников на различных слоях подложки, что позволяет увеличить коэффициент усиления антенны, либо расширить рабочую полосу частот антенны, поскольку токи соседних проводников не создают в дальней зоне антенны, поля компенсирующие друг друга, поэтому антенна имеет невысокую добротность.
На фиг.1 показана послойная структурная схема заявляемой антенны на два диапазона частот. Заявляемое устройство содержит общий вход антенны 1, многослойную диэлектрическую подложку, собранную из нескольких слоев диэлектрика 2, плоские непериодические зигзагообразные сегменты проводников 3, расположенные на поверхностях слоев 2, образующих подложку, слепое через один слой диэлектрика проводящее межслойное соединение 4, проходные через два слоя диэлектрика проводящие межслойные соединения 5, последовательно соединяющие проводники первой группы, расположенные на нечетных слоях, проходные через два слоя диэлектрика проводящие межслойные соединения 6, последовательно соединяющие проводники второй группы, расположенные на четных слоях, экран 7, на котором располагается подложка 8. На фиг.2 показана заявляемая антенна в сборе, где обозначено 8 - диэлектрическая подложка в сборе.
На слоях с нечетными номерами (1, 3… и т.д.) расположены непериодические зигзагообразные сегменты проводников первой группы, образующих излучающий элемент первого рабочего диапазона антенны; на четных слоях (2, 4… и т.д.) расположены сегменты зигзагообразных проводников второй группы, образующие излучающий элемент второго рабочего диапазона антенны. Общий вход антенны 1, с помощью слепого проводящего межслойного соединения 4 подключен к концам зигзагообразных сегментов проводников 3 первой и второй групп проводников, расположенных на поверхностях первого и второго слоев 2 диэлектрической подложки. Слепое проводящее межслойное соединение подключает проводники, расположенные на всех слоях через которые оно проходит и не выходит на вышележащие слои.
Зигзагообразные сегменты проводников первой группы, расположенные на нечетных слоях 2 диэлектрической подложки 8, соединены последовательно друг с другом с помощью проходных через слой межслойных проводящих соединений 5. Сегменты проводников второй группы, расположенные на четных слоях 2 диэлектрической подложки 8 соединены последовательно друг с другом с помощью проходных через слой межслойных проводящих соединений 6. Проходное проводящее межслойное соединение подключает проводники, расположенные только на первом и последнем слоях, через которые оно проходит.
Зигзагообразные сегменты проводников 3, расположенные на плоскостях слоев диэлектрической подложки 2, выполнены без пересечений, а вершины упомянутых зигзагообразных сегментов проводников 3, расположены на границах подложки. К конечным вершинам зигзагообразных сегментов проводника каждого слоя подключены проводящие межслойные соединения 5 или 6, в зависимости от номера слоя. Пересечение сегментов проводников 3, расположенных в разных слоях, выполнено по возможности взаимно ортогонально, чтобы уменьшить их взаимное влияние друг на друга и на поле в дальней зоне антенны. Ко вторым, свободным концам групп проводников могут быть подключены согласующие устройства не показанные на фиг 1 и фиг.2. Подложка антенны расположена на экране 7, служащим земляным электродом антенны.
Назначение остальных элементов понятно из фиг.1 и фиг.2.
Межслойные проводящие соединения 4, 5, 6 могут быть выполнены металлизацией боковых граней диэлектрических слоев подложки 2, либо с помощью металлизированных проходных отверстий (Via), навесным монтажом, либо каким-нибудь другим способом. Непериодические зигзагообразные сегменты проводников 3 на поверхностях слоев подложки 9 целесообразно выполнять методами многослойной печатной технологии, либо с помощью технологий принятых при создании объемных керамических устройств с низкой температурой обжига (LTCC), либо каким-нибудь другим способом. Объемная подложка может выполняться по технологии многослойных печатных плат, либо по LTCC технологии.
Конструкцию антенны нетрудно реализовать и для большего числа рабочих диапазонов.
Малоразмерная многодиапазонная антенна работает следующим образом. Суммарная длина всех зигзагообразных сегментов проводников 3 первой группы, расположенных на нечетных слоях диэлектрической подложки вместе с длинами проходных межслойных соединений 5 равна четверти длины волны сигнала на центральной частоте первого рабочего диапазона антенны. Суммарная длина всех зигзагообразных сегментов проводников 3 второй группы, расположенных на четных слоях подложки вместе с длинами проходных межслойных переходов 6, равна четверти длины волны на центральной частоте второго рабочего диапазона антенны. В результате от общего входа антенны 1 возбуждаются два четверть волновых проводника, выполненных в виде последовательного соединения плоских зигзагообразных сегментов, расположенных по толще диэлектрической подложки через один слой. Такие проводники эквивалентны двум четверть волновым вибраторам, расположенным над проводящим экраном 7. Антенна будет эффективно излучать на частотах резонанса, где суммарная длина каждой группы проводников на нечетных и четных слоях диэлектрической подложки 8 равна четверти длины волны сигнала и будет иметь диаграмму направленности, характерную для штыревой антенны λ/4 над проводящим экраном с нулевым излучением в направлении ортогональном плоскости экрана 7.
Пересечение сегментов проводников 3, расположенных в разных слоях, выполнено в антенне взаимно ортогонально, поэтому взаимосвязь между проводниками, относящимися к различным диапазонам и к одному диапазону будет минимальна. Кроме того, поскольку слои с проводниками групп последовательно чередуются, связь между проводниками одной группы будет дополнительно ослаблена экранировкой слоями с проводниками других групп излучающих элементов. Из-за непериодической зигзагообразной формы проводников, их ортогонального пересечения и последовательного чередования слоев в заявляемой антенне отсутствуют близко расположенные параллельные участки проводников с противоположным направлением близких по амплитуде и фазе токов в них, что увеличивает коэффициент усиления антенны, либо расширяет ее рабочую полосу частот по сравнению с известными антеннами, поскольку токи соседних проводников не будут создавать в дальней зоне антенны, поля компенсирующие друг друга.
Расположение вершин зигзагообразных сегментов на границах подложки позволяет проводникам антенны занимать весь объем пространства антенны и максимально использовать его для излучения сигнала, а также упрощает реализацию межслойных проводящих соединений.
Описание работы малоразмерной антенны показывает, что в ней реализована возможность увеличения коэффициента усиления антенны при заданном отведенном объеме или расширения рабочих диапазонов частот за счет отсутствия близко расположенных параллельных участков проводников с встречным направлением близких по амплитуде и фазе высокочастотных токов, уменьшения взаимосвязи проводников различных диапазонов и одного диапазона антенны за счет не периодичной формы зигзагов, их ортогонального пересечения в различных слоях, полного заполнения проводниками объема, отведенного для антенны.