Печатная СВЧ антенна

Заявляемая полезная модель относится к области радиотехники, в частности к СВЧ антеннам, и может быть использована в радиоприемных и радиопередающих устройствах систем радиолокации и связи, например Wi-Fi, для приема широкополосных радиосигналов либо множества узкополосных радиосигналов, распределенных в широкой полосе частот, например, в системах радиомониторинга, пассивной локации.
px
Известно большое количество конструкций широкополосных антенн СВЧ диапазона. Из всех возможных конструкций простотой исполнения и широкими рабочими диапазонами частот отличаются печатные щелевые антенны. Такие антенны описаны во множестве источников, например, в журналах Antennas and Propagation 1994, v.42,N5, p.633; авторских свидетельствах СССР SU 1029280 А1 от 15.07.83, SU 1818647 A1 от 30.05.1993; патентах US 4879562 А 07.11.1989, WO 03030300А 10.04.2003; CN 207038705 23.02.2018; KR101826808 10.11.2016; российском патенте на устройство RU 2269187 от 27.01.2006 и патенте на полезную модель 184249 от 19.10.20018. Эти антенны имеют диэлектрическую подложку с металлизацией, в которой выполнен щелевой излучатель (излучатель Вивальди) в виде щелевой линии вначале с однородным участком с постоянным зазором, который далее расширяется по экспоненциальному закону Y=±0.125e, где Y-половинная ширина зазора щелевой линии, х-координата, совпадающая с продольной осью щелевой линии и имеющая точку отсчета от конца однородного участка щелевой линии, р - коэффициент определяющий широкополосность антенны. Как показано в работах Antennas and Propagation 1994, v. 42, N5, p. 633, Э.И. Радиотехника сверхвысоких частот, г. Москва. №37.1980, стр. 37 наибольшая широкополосность достигается при значении р≈8.4. Такое выполнение щелевой антенны делает ее потенциально сверхширокополосной. Дальнейшее увеличение широкополосности антенны Вивальди в низкочастотной части рабочего диапазона возможно за счет подключения к концам расширяющегося участка щелевой линии печатных симметричных вибраторов, как предлагается в патенте RU 2507648.
Все приведенные выше антенны в основном отличаются конструкцией излучателей и устройством возбуждения электромагнитной волны в щелевой линии. Это устройство должно выполнять функции согласования и симметрирования возбуждающего СВЧ радиосигнала в широкой полосе частот. Именно это устройство и определяет широкополосность антенны и потери в ней. Как правило, для возбуждения и симметрирования щелевой линии используют двусторонний переход щелевая линия - микрополосковая линия. Такое решение ограничивает рабочую полосу частот, т.к. по своей сути этот переход является резонансным. Более широкополосным является устройство согласования и симметрирования в виде одностороннего перехода щелевая линия - копланарная линия, однако, в этом случае в устройстве имеются потери сигнала в 3 дБ как в патенте RU 2269187.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели является антенное устройство, описанное в патенте России на полезную модель 184249.
Известная печатная СВЧ антенна, содержит диэлектрическую подложку с нанесенной на верхней стороне металлизацией, в которой выполнен щелевой излучатель, состоящий из первого и второго симметричных электродов, образующих два соосных и противоположно направленных щелевых излучателя Вивальди, содержащих однородный участок щелевой линии с постоянным зазором и неоднородный участок, который далее расширяется по экспоненциальному закону, возбуждающую данный излучатель линию с Т-волной, центральный проводник которой проходит через осевой зазор упомянутого второго электрода щелевого излучателя и подключен под прямым углом к первому излучателю.
При подведении от источника СВЧ сигнала энергии к центральному проводнику копланарной линии, в ней возбуждается квази-Т волна, распространяющаяся вдоль щелей между центральным проводником копланарной линии и металлизацией верхнего слоя. Электрическое поле квази-Т волны направлено от (или «к» в зависимости от фазы сигнала) центрального проводника через зазоры в металлизации верхнего слоя. Половина энергии квази-Т волны, сосредоточенная, в основном, в электрическом поле первого зазора, возбуждает однородный участок щелевой линии первого излучателя и соединенную с ним далее первую щелевую линию с расширяющейся щелью и излучается в пространство, а вторая половина, сосредоточенная во втором зазоре, поступает во второй щелевой излучатель, возбуждает его и также излучается в пространство. Обе половины энергии излучаются в пространство в противоположных направлениях, где они складываются без потерь из-за идентичности излучателей и возбуждения щелевых линий в фазе. При этом в пространстве образуется близкая к круговой диаграмма направленности в азимутальной плоскости. Поскольку однородные отрезки щелевых линий обеих излучателей подключены к возбуждающей копланарной линии параллельно, а волновые сопротивления однородных участков щелевых линий излучателей, которые являются продолжением зазоров возбуждающей копланарной линии, выбраны в два раза большими, чем волновое сопротивление возбуждающей копланарной линии, то во входной цепи антенны отсутствуют отражения возбуждающего сигнала, и он без потерь излучается в пространство. Необходимое соотношение между волновыми сопротивлениями щелевых и копланарной линий достигается подбором ширины центрального проводника возбуждающей копланарной линии и толщины подложки.
Ключевым недостатком описанного антенного устройства является то, что зазоры возбуждающей копланарной линии также излучают часть возбуждающего сигнала подобно щелевым антеннам, причем поляризация сигнала, излученного зазорами копланарной линии, будет ортогональной поляризации сигнала, излученной основными щелевыми излучателями (кросс-поляризация). Таким образом, антенна будет излучать сигнал не одной основной поляризации щелевых излучателей (условно примем ее вертикальной), но и сигнал кросс-поляризации, излучаемый зазорами щелевой линии (условно примем ее горизонтальной). Кроме того, форма диаграммы направленности антенны в угломестной плоскости известной антенны имеет асимметрию, т.к. структуры металлизации верхнего и нижнего электродов, образующих щелевые излучатели, имеют конструктивные отличия. Антенна на однослойной подложке занимает в пространстве меньший объем и значит будет иметь меньшую широкополосность по сравнению с антенной, имеющей такую же площадь, но занимающей больший объем, например, за счет использования диэлектрической подложки с большим числом слоев. Перечисленные причины приводят к ухудшению энергетики всей радиосистемы в целом, уменьшают соотношение сигнал-шум на входе приемного устройства.
Технической задачей, решаемой в предлагаемой полезной модели, является создание широкополосной печатной СВЧ антенны, с увеличенным коэффициентом усиления, у которой будет отсутствовать кросс-поляризационное излучение, а диаграмма направленности в угломестной плоскости будет максимально близка к симметричной.
Это достигается за счет того, что заявляемая в полезной модели антенна, также как и описанная выше щелевая СВЧ антенна, содержит диэлектрическую подложку с нанесенной на верхней стороне металлизацией, в которой выполнен щелевой излучатель, состоящий из первого и второго симметричных электродов, образующих два соосных и противоположно направленных щелевых излучателя Вивальди, содержащих однородный участок щелевой линии с постоянным зазором и неоднородный участок, который далее расширяется по экспоненциальному закону, возбуждающую данный излучатель линию с Т-волной, центральный проводник которой проходит через осевой зазор упомянутого второго электрода щелевого излучателя и подключен под прямым углом к первому излучателю. Но в отличие от известного устройства, на первой подложке со стороны металлизации вплотную расположена вторая диэлектрическая подложка, на металлизации внешних сторон обеих подложек выполнены электроды, образующие два соосных и противоположно направленных щелевых излучателя Вивальди, идентичные по форме и размеру первому электроду первой подложки, так что края всех трех пар электродов, расположенных на разных сторонах подложек совпадают, внешние края электродов упомянутых трех пар щелевых излучателей соединены металлизированными отверстиями связи, проходящими, через оба слоя диэлектрической подложки, причем края осевого зазора, через который проходит центральный проводник возбуждающей линии, соединены с электродами первого, второго и третьего излучателей с помощью металлизированных отверстий связи, проходящими через оба слоя диэлектрической подложки.
Возбуждающая полосковая линия с Т-волной образована упомянутым центральным проводником, нижней стороной нижнего электрода третьего излучателя, расположенного на верхней стороне второго слоя подложки, и верхней стороной нижнего электрода второго излучателя, расположенного на нижней стороне первого слоя подложки, а также металлизированными отверстиями связи, образующими боковые стенки полосковой линии. Ширина центрального проводника полосковой линии и ширина зазоров однородных участков щелевых линий излучателя, образованных соединенными с помощью металлизированных отверстий верхними и нижним электродами трех излучателей, выбираются из условия, чтобы волновое сопротивление однородного участка щелевой линии было в два раза выше волнового сопротивления возбуждающей полосковой линии.
Технический результат состоит в создание широкополосной печатной СВЧ антенны, с увеличенным коэффициентом усиления, у которой отсутствует кросс-поляризационное излучение, а диаграмма направленности в угломестной плоскости максимально близка к симметричной. Это достигается за счет того, что центральный проводник возбуждающей полосковой линии подключен к верхней части однородной щелевой линии из трех электродов на слоях подложки, соединенных металлизированными отверстиями, второй проводник полосковой линии через металлизированные отверстия подключен к нижней части упомянутого однородного участка трехэлектродной щелевой линии, расположенного на слоях подложки, то энергия Т волны в возбуждающей полосковой линии возбуждает однородные участки щелевых линий двунаправленных излучателей, образованных верхней и нижней частями электродов синфазно и равноамплитудно, оба противоположно направленных щелевых излучателя излучают энергию из-за идентичности излучателей и возбуждения щелевых линий в фазе в пространство, где она складывается без потерь энергии на излучение сигнала кросс-поляризации из-за отсутствия зазоров в возбуждающей полосковой линии. Тем самым повышается результирующий коэффициент усиления антенны, а ее больший размер в поперечном сечении за счет использования двухслойной диэлектрической подложки увеличивает ее объем, а значит и широкополосность по сравнению с антенной с однослойной подложкой. При этом в пространстве образуется близкая к круговой диаграмма направленности в азимутальной плоскости.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана топология электродов на первой подложке, а на фиг. 2 - печатная СВЧ антенна в сборе.
На фиг. 1 схематически показана топология электродов СВЧ антенны на верхней и нижней сторонах первого слоя диэлектрической подложки. На фиг. 1 заштрихованными участками показана металлизация электродов на верхней стороне первого слоя диэлектрической подложки, пунктиром - металлизация электродов на нижней стороне первого слоя диэлектрической подложки, сплошными кружочками обозначены металлизированные отверстия связи, проходящие через слои подложки, связывающие края металлических электродов всех трех слоев, не залитыми кружочками обозначены металлизированные отверстия связи, образующие боковые стенки возбуждающей полосковой линии с Т-волной, также проходящие через оба слоя подложки. На фиг. 2 показана антенна в сборе. Заштрихованными участками приведена топология проводников на верхней стороне второго слоя диэлектрической подложки, идентичная топологии электродов на нижней стороне первого слоя, кружочками обозначены металлизированные отверстия связи, проходящие через слои подложки.
Заявляемая печатная СВЧ антенна содержит диэлектрическую подложку, состоящую из двух слоев 1 и 9, два металлизированных симметричных относительно оси излучателя электрода 2 и 3, 4, которые расположены на верхней стороне слоя 1 диэлектрической подложки и формируют соосный двунаправленный щелевой излучатель Вивальди, состоящий из отрезка однородной щелевой линии и экспоненциально расширяющейся щелевой линии, центральный проводник возбуждающей полосковой линии 5, проходящий через осевой зазор в нижнем электроде 3, 4 по его вертикальной оси и соединенный с электродом 2 под прямым углом, возбуждающий порт 6, два металлизированных электрода 7 и 8, расположенных на нижней стороне первого слоя подложки 1 и совпадающих по форме с электродами 2 и 3, 4, два металлизированных электрода 10 и 11, расположенных на верхней стороне второго слоя диэлектрической подложки 9, совпадающие по форме с парами электродов 2 и 3, 4; и 7, 8, металлизированные отверстия связи 12, соединяющие края электродов 2, 3, 4, а также 7, 8 и 10, 11 и проходящие через оба слоя диэлектрической подложки, металлизированные отверстия связи 13, образующие боковые стенки возбуждающей полосковой линии и соединяющие внутренние края электродов 3 и 4, расположенных на верхней стороне первого слоя диэлектрической подложки 1, также проходящие через оба слоя диэлектрической подложки.
Возбуждающая полосковая линия, образованная центральным проводником 5, нижней стороной металлизированного электрода 11, расположенного на верхней стороне второго слоя подложки 9 и верхней стороной идентичного ему электрода 8, расположенного на нижней стороне первого слоя подложки 1, а также боковыми металлизированными отверстиями 13 подключена по вертикальной оси антенны к металлизированным электродам 2, 7 и 10, образующим верхнюю часть двунаправленного трехслойного щелевого излучателя, а второй проводник полосковой линии, образованный поверхностями электродов 8 и 11 и металлизированными отверстиями связи 13 подключен к электродам 3, 4 а также 8 и 11, образующим нижнюю часть двунаправленного трехслойного щелевого излучателя. К центральному проводнику полосковой линии 5 подключен порт 6.
Заявляемая печатная СВЧ антенна работает следующим образом. СВЧ сигнал с порта 6 возбуждает в полосковой линии с центральным проводником 5 Т волну, у которой вектор электрического поля направлен от (или «к» в зависимости от фазы колебания) центрального проводника 5 к металлизации электродов 8 и 11 на слоях подложки 1 и 9. Электроды 7 и 10 на нижнем и верхнем слоях подложки 1 и 9 и электрод 2, расположенный между первым и вторым слоями подложки, соединенные металлизированными отверстиями связи 12 образуют одну половину двухстороннего трехслойного щелевого излучателя с однородным участком и неоднородным участком щелевой линии, к которой подключен центральный проводник полосковой линии 5. Электроды 11, 8 на верхнем и нижнем слоях подложки и электроды 3 и 4, расположенные между первым и вторым слоями подложки соединенные металлизированными отверстиями связи 12 образуют вторую половину двухстороннего щелевого излучателя с однородным участком и неоднородным участком щелевой линии, к которой с помощью металлизированных отверстий 13 подключен внешний проводник возбуждающей полосковой линии. Таким образом, электроды, образующие однородные участки щелевой линии двустороннего трехслойного щелевого излучателя возбуждаются в фазе в одном сечении и по трехслойной щелевой линии распространяется волна СВЧ сигнала, которая далее поступает в экспоненциально расширяющиеся отрезки линий и в фазе излучается в пространство с вертикальной поляризацией вдоль апертуры щелевых линий. Сигнал кросс-поляризации при этом не возникает и не излучается, потому, что возбуждающая излучатели полосковая линия из элементов 5, 11, 8, 13 представляет собой замкнутую структуру, не имеющую горизонтальных щелей.
Поскольку обе разнонаправленные половины излучателя идентичны друг другу, а возбуждающие их СВЧ сигналы поступают на них в фазе из-за равенства длин отрезков однородных и экспоненциальных участков щелевых линий излучателя, то излучаемый обеими разнонаправленными половинами излучателя СВЧ сигналы будут иметь одинаковые амплитуды и фазы, и также будет происходить и их излучение в пространство. В результате их диаграммы направленности складываются, а поскольку каждая из имеет сектор излучения близкий к 180°, то суммарная диаграмма направленности в азимутальной плоскости будет близка к круговой.
В предлагаемой в заявке печатной СВЧ антенне точки подключения возбуждающей полосковой линии переходят в зазоры однородных отрезков щелевых линий двунаправленного щелевого излучателя без электрических неоднородностей и, если волновое сопротивление возбуждающей полосковой линии, образованной центральным проводником 5, нижней стороной металлизированного электрода 11, расположенного на верхней стороне второго слоя подложки 9 и верхней стороной идентичного ему электрода 8, расположенного на нижней стороне первого слоя подложки 1 и боковыми металлизированными отверстиями 13 подбором ширин проводника 5 и толщины слоев диэлектрических подложек 1 и 9 выбирается в два раза меньше, чем волновое сопротивление однородных участков щелевых линий, то вся энергия поступившая из порта 6 будет без отражений поступать в излучатели и излучаться в пространство. При этом из-за отсутствия балластных устройств и горизонтальных щелей в возбуждающей полосковой линии вся энергия входного сигнала будет излучаться с вертикальной поляризацией и результирующий коэффициент усиления антенны будет выше чем у прототипа. Два противонаправленных идентичных трехслойных щелевых излучателя, возбуждаемых синфазно и равноамплитудно, формируют в азимутальной плоскости диаграмму направленности близкую к круговой.
Описание конструкции печатной СВЧ антенны и принципа ее работы доказывает достижение технических результатов - создана широкополосная печатная СВЧ антенна, с увеличенным коэффициентом усиления, у которой отсутствует кросс-поляризационное излучение, а диаграмма направленности в угломестной плоскости максимально близка к симметричной.