КОМПАКТНАЯ ПАТЧ-АНТЕННА
COMPACT PATCH ANTENNA

Настоящее изобретение относится к компактной патч-антенне.
Патч-антенны, также известные как прямоугольные микрополосковые антенны, известны в современном уровне техники. Они состоят из отдельного металлического листа, подвешенного над земляной плоскостью, и диэлектрической подложки, расположенной между земляной плоскостью и металлическим листом; причем антенная сборка обычно помещается в пластиковый кожух, который защищает антенну от возможных повреждений. Они используются в различных применениях, поскольку они имеют компактную и легкую конструкцию, низкий профиль, геометрию, конформную поверхностям, и, наконец, они легко сопрягаются со схемами подачи сигнала (которые могут содержать усилители, фильтры и/или делители мощности). К недостаткам относятся эффективность от средней до низкой (вследствие недорогих материалов), по существу узкий рабочий диапазон (вследствие резонансного режима работы) и вероятная возможность возбуждения поверхностных волн в подложке, которые являются источником паразитного излучения. Режим работы патч-антенны является резонансным, при этом резонансная частота главным образом зависит от формы и размеров печатной области и диэлектрической проницаемости подложки. Напротив, входной импеданс зависит от точки питания, при этом мода должна быть выбрана для питания антенны, которая принимает сигнал близко к точке, соответствующей желательному импедансу.
Металлический лист имеет длину, равную половине длины волны, если антенна используется на радиочастоте. Микрополосковые антенны имеют различные преимущества по сравнению с традиционными антеннами СВЧ-диапазона, поскольку они могут легко покрывать широкий диапазон частот типично от 100 МГц до 100 ГГц. Упомянутые антенны имеют малый вес, малый объем, высокую механическую устойчивость и низкую стоимость производства. Однако они имеют определенные недостатки, относящиеся к узкой полосе и довольно низкому коэффициенту усиления около шести децибел; полоса может быть увеличена за счет использования слоев диэлектрика с высокой проницаемостью, а коэффициент усиления может быть увеличен посредством использования микрополосковых антенных решеток.
Известно, что эффекты излучения микрополосковой линии значительно уменьшаются, если применяемая подложка является тонкой и имеет высокую проницаемость. По этой причине, когда должны быть обеспечены микрополосковые антенны с высокой эффективностью излучения, предпочтительны толстые подложки с низкой проницаемостью.
Длина листа строго определяет резонансную частоту и является критическим параметром при определении полосы; действительно, микрополосковая антенна имеет значительно меньшую ширину полосы по сравнению с обычной резонансной антенной. Увеличенная высота подложки и меньшая диэлектрическая постоянная могут увеличить ширину полосы, но это может привести к геометрическим параметрам, которые являются несовместимыми с выбранной степенью интеграции. В первом приближении резонансная частота обратно пропорциональна длине и квадратному корню относительной проницаемости диэлектрика. Поскольку ширина и длина реального листа имеют конечные размеры, поля на краях подвергаются воздействию краевого эффекта. Этот эффект обусловлен тем, что силовым линиям требуется проходить через неоднородную среду, состоящую из двух отдельных диэлектриков: подложки и воздуха.
Существуют другие патч-антенны, которые весьма часто используются для беспроводных передач, имеющие длину, равную 1/4 длины волны, и имеющие излучающий металлический лист, короткозамкнутый на земляную плоскость, такие как PIFA-антенны (планарные повернутые F-антенны).
Принимая во внимание уровень техники, задачей настоящего изобретения является обеспечить компактную патч-антенну, которая отлична от известных антенн. Антенна в соответствии с изобретением имеет меньшие размеры и предпочтительно высокую избирательность ширины пропускания на резонансной частоте.
В соответствии с настоящим изобретением упомянутая задача решается компактной патч-антенной, в частности для установки в транспортном средстве, содержащей питаемый электричеством полосковый излучающий элемент, земляную плоскость, с которой упомянутый полосковый излучающий элемент соединен на первом конце посредством металлического звена и на втором конце, противоположном первому концу, посредством переменного конденсатора, печатную плату, нижняя поверхность которой составляет одно целое с земляной плоскостью, слой диэлектрического материала, расположенный между полосковым излучающим элементом и печатной платой, причем упомянутый полосковый излучающий элемент по существу является параллельным упомянутой земляной плоскости, отличающейся тем, что упомянутый слой диэлектрического материала имеет относительную диэлектрическую постоянную в диапазоне от 3 до 6 и коэффициент потерь в диапазоне от 0,03 до 0,1.
Признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего подробного описания его практических вариантов осуществления, показанных в качестве неограничивающего примера на прилагаемых чертежах, на которых:
Фиг. 1 - вид сверху компактной патч-антенны в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 - схематичный вид в разрезе антенны по фиг. 1;
Фиг. 3 и 4 - диаграммы коэффициента усиления антенны по фиг. 1 согласно частоте;
Фиг. 5 - схематичный вид в разрезе компактной патч-антенны в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 6 - вид сверху компактной патч-антенны по фиг. 5;
Фиг. 7 - диаграмма коэффициента усиления антенны по фиг. 5 согласно частоте;
Фиг. 8 - автотранспортное средство, в котором установлена компактная патч-антенна по фиг. 1 или фиг. 5;
Фиг. 9 - более подробное представление компактной патч-антенны по фиг. 1 или фиг. 5, закрепленной на автотранспортном средстве.
На фиг. 1 и 2 показана компактная патч-антенна в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Антенна содержит полосковый излучающий элемент антенны или микрополосок 1, предпочтительно имеющий длину равную 1/4 длины волны резонансной частоты, например частоты Fo=434 МГц. Упомянутый полосковый металлический элемент 1 соединен с землей GND на одном конце 11, а на противоположном конце 12 соединен с переменным конденсатором 5, соединенным с землей; причем упомянутый переменный конденсатор 5 регулируется для настройки резонансного контура антенны для резонанса на рабочей частоте.
Антенна содержит плоское основание 2 с печатной платой, полностью покрытая медью нижняя поверхность которой представляет собой земляную плоскость 3; полосковый металлический элемент 1 является параллельным земляной плоскости. Высота h антенны относительно земляной плоскости составляет около 7 мм; пространство между полосковым металлическим элементом 1 и земляной плоскостью 3 отчасти заполнено материалом печатной платы и отчасти диэлектрическим материалом 6 с подходящей диэлектрической постоянной и подходящим коэффициентом потерь. Диэлектрический материал 6, в частности пластик, приклеен к полосковому излучающему элементу 1 и к плоскому основанию 2 с печатной платой, за счет чего получают жесткую, прочную, плоскую конструкцию даже при наличии очевидных сильных механических вибраций, например, если антенна установлена в автомобиле.
Антенна содержит малый микрополосок 7, составляющий одно целое с полосковым металлическим элементом 1 и адаптированный для питания антенны; согласование импедансов также выполняется посредством микрополоска 7. В частности полосковый металлический элемент 1 содержит малую прямоугольную щель 15 со стороны конца 11, которая проходит по направлению к концу 12. Конец 14 щели представляет собой точку контакта между микрополоском 7 и металлическим элементом 1.
Геометрия компактной патч-антенны в соответствии с изобретением представляет собой прямоугольный тип, но таким образом, что металлический элемент 1 больше, чем диэлектрический слой 6, и меньше, чем печатная плата 2 с земляной плоскостью 3.
εr
Слой 6 диэлектрического материала имеет относительную диэлектрическую постоянную  в диапазоне от 3 до 6, что позволяет уменьшить размер патч-антенны; действительно, может быть использован металлический полосковый элемент, имеющий длину, равную 1/4 длины волны, в то время как толщина антенны меньше, чем один сантиметр.
ε
ε
ε
Более того, слой 6 диэлектрического материала имеет коэффициент потерь (тангенс угла потерь) tanδ в диапазоне от 0,03 до 0,1, предпочтительно от 0,05 до 0,1, который позволяет увеличить ширину полосы для резонансной частоты антенны; т.е. позволяет настраивать ширину полосы на ее резонансную частоту без отрицательного воздействия на надлежащее функционирование антенны. В действительности с диэлектрическим материалом с тангенсом угла потерь tanδ, меньшим, чем 0,03 (например, 0,01), была бы получена весьма критичная антенна, которую было бы сложно изготавливать и калибровать, и которая могла бы терять свою резонансную частоту в течение срока службы антенны. Не требуется, особенно в области техники автотранспортных средств или самоходных применений, чтобы ширина полосы относительно ее резонансной частоты была узкой, чтобы не ухудшать надлежащую работу антенны на протяжении лет; антенна с очень узкой полосой пропускания была бы критичной, и ее резонансная частота могла бы значительно измениться вследствие механических и тепловых нагрузок, встречающихся, например, в автотранспортных средствах. В частности выбор тангенса угла потерь tanδ диэлектрического материала в пределах от 0,05 до 0,1 представляет разумное соотношение между необходимостью в антенне с шириной полосы такой, чтобы уменьшить количество нежелательных возмущений и сигналов, с одной стороны, и необходимостью в антенне, которая является простой в изготовлении и калибровке и в особенности имеет продолжительный срок службы, с другой стороны. Например, конкретными диэлектрическими материалами, которые могут быть использованы для заполнения пространства между металлическим элементом 1 и земляной плоскостью 3, является материал FR4 (эпоксидная смола, усиленная стекловолокном) с диэлектрической постоянной 4,7 и коэффициентом потерь 0,03 и в особенности материал PMMA (полиметилметакрилат) с диэлектрической постоянной 3,7 и коэффициентом потерь 0,06 или материал ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) с диэлектрической постоянной 3,5 и коэффициентом потерь 0,09.
Антенна проявляет резонанс при настройке на частоту в пределах между 300 мегагерц и 1 гигагерц, при этом диэлектрический материал позволяет настраивать ширину полосы так, чтобы она подходила для различных потребностей применений. Однако существует необходимость в ширине полосы по меньшей мере равной или большей, чем 15 МГц.
На фиг. 3 показаны диаграммы анти-усиления антенны AG и коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН), т.е. параметра, который в децибелах определяет отношение между максимальными и минимальными значениями напряжения стационарной картины волны в соответствии с частотой, если диэлектрик представляет собой материал PMMA; ширина полосы с центральной резонансной частотой Fo=434 МГц равна 15 МГц с коэффициентом усиления в несколько децибел.
На фиг. 4 показаны диаграммы анти-усиления антенны AG и КВСН в децибелах в соответствии с частотой, если диэлектрик представляет собой материал ABS; ширина полосы с центральной резонансной частотой Fo=434 МГц составляет 25 МГц с коэффициентом усиления в несколько децибел, но меньше, чем коэффициент усиления антенны по фиг. 3.
На фиг. 5 и 6 показана компактная патч-антенна в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Упомянутая антенна отличается от антенны на фиг. 1 и 2 наличием ПАВ-фильтра 20 с соответствующей схемой 21 согласования импедансов, связанной с малым микрополоском 7, который позволяет подавать питание к антенне.
ПАВ-фильтр 20 позволяет увеличить избирательность антенны, в частности, если антенна используется в автомобиле, при сохранении признаков механической стойкости и высокой надежности антенны, как показано на диаграмме анти-усиления антенны AG gj фиг. 7, с шириной полосы, имеющей центральную резонансную частоту Fo=434 МГц.
Антенна в соответствии с настоящим изобретением адаптирована для использования в системах передачи и приема данных для транспортных средств, предпочтительно для автотранспортных средств. Антенна прежде всего размещается внутри воздухонепроницаемого пластикового кожуха 200, который прикреплен к раме 201 автотранспортного средства 202, предпочтительно на внешней поверхности нижней части рамы 201 автотранспортного средства 202, в частности в центре 203 нижней части рамы 201, как показано на фиг. 8 и 9; пластиковый кожух 200 может быть прикреплен к раме 201 автотранспортного средства просто за счет винтов или болтов, которые взаимодействуют с отверстиями кожуха и с отверстиями, выполненными на внешней поверхности нижней части автотранспортного средства. Антенна главным образом конфигурирована для приема данных, передаваемых от конкретных передатчиков 300 давления в шинах 301, расположенных внутри шин; предпочтительно, упомянутые передатчики представляют собой передатчики, описанные в патентной заявке EP 1787831 того же заявителя. В частности, упомянутые передатчики связаны с клапанами шины, как изображено на чертежах в патентной заявке EP 1787831 и в ее описании; каждый передатчик 300 выполнен с возможностью осуществления модуляции по положению импульсов (РРМ) сигнала, указывающего давление в шине 301. Компактная патч-антенна в соответствии с настоящим изобретением адаптирована для приема сигналов импульсной модуляции от упомянутых передатчиков 300. Компактная патч-антенна в соответствии с изобретением соединена с приемником (не показан на чертежах), расположенным внутри автотранспортного средства, для демодулирования сигнала, принятого антенной.