Микрополосковая антенна
MICROSTRIP ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемной или передающей антенны или элемента фазированной антенной решетки в системах радиосвязи или радиолокации.
Известна микрополосковая антенна [1 - Патент РФ 2390890, «Компактная микрополосковая антенна без использования диэлектрика», опубл. 27.05.2010], содержащая излучающую пластину, которая с помощью конструктивных элементов поддерживается над экраном и соединена с линией питания, а также емкостные элементы, соединенные с излучающей пластиной, емкостные элементы расположены на краях излучающей пластины и экрана и выполнены в виде двух, по меньшей мере, протяженных ребер или набора коротких ребер, загнутых внутрь пространства между экраном и излучающей пластиной для обеспечения уменьшения резонансного размера.
Недостатком известной антенны является низкая технологичность изготовления, поскольку она содержит излучающую пластину, которая закреплена над экраном с помощью загнутых ребер с прорезями.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является микрополосковая антенна [2- Пат. РФ 2117366, «Микрополосковая антенна, в частности, для спутниковых телефонных передач», опубл. 10.08.1998], взятая за прототип, которая содержит первый диэлектрический слой, имеющий с верхней стороны первый излучатель круглой формы, а с нижней - экран, второй диэлектрический слой, расположенный над первым диэлектрическим слоем и имеющий на верхней стороне второй излучатель круглой формы, расположенный над первым излучателем и имеющий размер, меньший, чем размер первого излучателя, третий диэлектрический слой, расположенный над вторым диэлектрическим слоем, четвертый диэлектрический слой, расположенный под первым диэлектрическим слоем, и пятый диэлектрический слой, расположенный под четвертым диэлектрическим слоем, при этом на верхней поверхности пятого диэлектрического слоя расположена цепь питания первого излучателя, а на нижней поверхности - экран, при этом первый излучатель запитывается снизу в, по меньшей мере, одной выбранной точке, располагающейся между центром и краем первого излучателя, диэлектрические материалы первого, второго, четвертого и пятого диэлектрических слоев имеют диэлектрическую проницаемость порядка 2, а отношение значений толщины второго и первого диэлектрических слоев имеет величину порядка 3, диэлектрический материал третьего диэлектрического слоя имеет диэлектрическую проницаемость порядка 4.
Недостатком прототипа является низкая относительная полоса рабочих частот, составляющая 8% по уровню коэффициента отражения минус 10 дБ [2 - фиг. 6].
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение полосы рабочих частот антенны.
Для решения указанной задачи предлагается микрополосковая антенна, содержащая первый диэлектрический слой, имеющий с верхней стороны первый печатный излучатель, а с нижней - первый экран, второй диэлектрический слой, расположенный над первым диэлектрическим слоем, второй печатный излучатель, расположенный над первым печатным излучателем, третий диэлектрический слой, расположенный над вторым диэлектрическим слоем, четвертый диэлектрический слой, расположенный под первым диэлектрическим слоем, и пятый диэлектрический слой, расположенный под четвертым диэлектрическим слоем, при этом на верхней поверхности пятого диэлектрического слоя расположен делитель мощности, от которого снизу запитывается первый печатный излучатель, а на нижней поверхности пятого диэлектрического слоя расположен второй экран, микрополосковая антенна содержит несколько пар первых и вторых печатных излучателей.
Согласно изобретению, печатные излучатели имеют квадратную форму, запитка первых печатных излучателей от делителя мощности производится через согласующие печатные элементы, примыкающие к боковой поверхности первых печатных излучателей, вторые печатные излучатели расположены на нижней поверхности третьего диэлектрического слоя, диэлектрический материал второго диэлектрического слоя имеет диэлектрическую проницаемость порядка 1, отношение значений толщины второго и первого диэлектрических слоев не менее 4, при этом вторые печатные излучатели имеют габаритные размеры, превышающие размеры первых печатных излучателей, а расположение пар первого и второго печатных излучателей выполнено на эквидистантном расстоянии в узлах прямоугольной или треугольной сетки.
Техническим результатом предлагаемого способа является увеличение полосы рабочих частот антенны за счет снижения диэлектрической проницаемости и увеличения толщины второго диэлектрического слоя.
Проведенный сравнительный анализ заявленного изобретения и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:
- печатные излучатели выполнены квадратной формы, а питание к первому печатному излучателю подводится через согласующий печатный элемент, примыкающий к боковой поверхности первого печатного излучателя, в то время как в прототипе печатные излучатели круглой формы, а питание подводится непосредственно на печатный излучатель в точке, располагающейся между центром и краем излучателя;
- второй печатный излучатель расположен на нижней поверхности третьего диэлектрического слоя, в то время как в прототипе он расположен на верхней поверхности второго диэлектрического слоя;
- второй диэлектрический слой имеет диэлектрическую проницаемость около 1, в то время как в прототипе диэлектрическая проницаемость этого слоя около 2;
- отношение значений толщины второго и первого диэлектрических слоев составляет не менее 4, в то время как в прототипе отношение толщин второго и первого диэлектрических слоев составляет около 3;
- размеры второго печатного излучателя больше, чем первого, что увеличивает рабочую полосу частот антенны, в то время как в прототипе наоборот, размеры второго печатного излучателя меньше, чем второго. Это характеристики предлагаемого устройства в совокупности с более толстым вторым диэлектрическим слоем и его низкой диэлектрической проницаемостью обеспечивает увеличение относительной полосы пропускания на 50% относительно прототипа (12% в предлагаемом изобретении и 8% в прототипе);
- расположение пар первого и второго печатных излучателей выполнено на эквидистантном расстоянии в узлах прямоугольной или треугольной сетки, в то время как в прототипе излучатели расположены в виде некоторой сети.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого изобретения из литературы неизвестно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведено расположение слоев в предлагаемой микрополосковой антенне.
На фиг. 2 приведен пример использования предлагаемой микрополосковой антенны в конфигурации линейной антенной решетки. Предлагаемая микрополосковая антенна содержит:
Первый диэлектрический слой 1, имеющий с верхней стороны первый печатный излучатель 2, а с нижней - первый экран 3, второй диэлектрический слой 4, расположенный над первым диэлектрическим слоем 1, второй печатный излучатель 5, расположенный над первым печатным излучателем 2 на нижней поверхности третьего диэлектрического слоя 6, размещенного над вторым диэлектрическим слоем 4.
Четвертый диэлектрический слой 7, расположенный под первым диэлектрическим слоем 1 и пятый диэлектрический слой 8, расположенный под четвертым диэлектрическим слоем 7. На верхней поверхности пятого диэлектрического слоя 8 расположен делитель мощности 9, а на нижней поверхности пятого диэлектрического слоя 8 расположен второй экран 10. Делитель мощности 9 запитывается через линию связи 11, проходящую через пятый диэлектрический слой 8 и переходное отверстие во втором экране 10 (на фиг. 1 не показано). Первый печатный излучатель 2 запитывается через линию связи 12, проходящую через первый и четвертый диэлектрические слои 1 и 7 и через переходное отверстие в первом экране 3 (на фиг. 1 не показано) и соединенный с одним из выходов делителя мощности 9.
Диэлектрический материал второго диэлектрического слоя 4 имеет диэлектрическую проницаемость порядка 1. Отношение значений толщины второго и первого диэлектрических слоев 4 и 1 не менее 4.
При построении антенной решетки расположение пар первого печатного излучателя 2 и второго печатного излучателя 5 выполнено на эквидистантном расстоянии в узлах прямоугольной или треугольной сетки. На фиг.2 приведен пример линейной антенной решетки с расположением восьми излучателей в одну линию на эквидистантном расстоянии d.
Первый и второй печатные излучатели 2 и 5 имеют квадратную форму, запитка первого печатного излучателя 2 производится снизу через согласующий печатный элемент 13 (фиг. 2), примыкающий к боковой поверхности первого печатного излучателя 2.
Второй печатный излучатель 5 имеет габаритные размеры, превышающие размеры первого печатного излучателя 2.
Микрополосковая антенна может работать как в режиме передачи, так и в режиме приема. В режиме передачи сигнал, подаваемый на линию связи 11 делителя мощности 9 делится по числу пар первого и второго печатных излучателей 2 и 5, которые содержит микрополосковая антенна, поступает на вход каждого печатного излучателя 2 через линию связи 12 и излучается в пространство. Второй печатный излучатель 5 в каждой паре излучателей является пассивным элементом и служит для расширения полосы рабочих частот микрополосковой антенны. В режиме приема делитель мощности 9 работает как сумматор, на который поступают сигналы, принимаемые парами первого и второго печатных излучателей 2 и 5, а линия связи 11 работает как выход сумматора, на который поступает суммарный сигнал микрополосковой антенны.
Работоспособность предлагаемого изобретения была проверена на макете устройства (фиг. 1).
Испытания показали, что полоса рабочих частот предлагаемого изобретения превышает полосу рабочих частот прототипа на 50% и составляет 12% по уровню коэффициента стоячей волны (КСВ) равному 1,6; в то время как в прототипе полоса составляет 8% по уровню коэффициента отражения минус 10 дБ, что соответствует КСВ равному 1,92.
Таким образом, предлагаемое изобретение, по сравнению с прототипом, обеспечивает значительное увеличение полосы рабочих частот.