ШИРОКОПОЛОСНАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА С ВЫСОКИМ УСИЛЕНИЕМ

Полезная модель относится к антенной технике и предназначена для использования в аппаратуре связи в качестве одиночного широкополосного излучателя и как элемент низкопрофильной антенной решетки.
Известно большое количество способов расширения полосы рабочих частот микрополосковых антенн. К ним относятся:
- добавление в конструкцию антенны связанных с основной пластиной как активных, так и пассивных излучающих элементов, располагающихся в одной плоскости с излучателем;
- использование логопериодических структур излучающих элементов;
- применение излучателей с прорезанной в них щелью сложной формы;
- применение согласующих элементов (как правило, простой геометрической конфигурации) между зондом питания и излучателем;
- многослойных (многоэтажных) структур;
- усечение симметричной части излучающего элемента.
Недостатками этих способов являются:
- увеличение размеров антенны в плоскости экрана;
- нестабильность положения фазового центра антенны с изменением частоты;
усложнение конструкции, а, следовательно, рост ее стоимости;
снижение усиления антенны и искажение ее диаграммы направленности.
Известна антенна [Z.N.Chen, 'Broadband suspended plate antennas with concaved center portion,' IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, no. 4, pp.1550-1551, April 2005]. Особенность антенны заключается в том, что излучатель является не плоским. Излучающий элемент имеет изгиб в центральной части. Недостатком этой антенны является высокий уровень кросс-поляризации, а также невысокий коэффициент усиления в рабочей полосе (не превышает 9,5 дБ).
Известна антенна [K.L.Wong, C.L.Tang, and J.Y.Chiou, "Broadband probe-fed patch antenna with a W-shaped ground plane," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.50, June 2002]. Антенна имеет плоскость экрана W-образной формы. Недостаток антенны заключается в том, что она имеет небольшую полосу рабочих частот.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является микрополосковая антенна [C.L.Tang, C.W.Chiou, and K.L.Wong "Broadband dual-frequency V-shape patch antenna," Microwave Opt. Technol., lett. 25, 121-123, April 20, 2000], принятая за прототип.
Схема антенны-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено:
1 - слой диэлектрика;
2 - металлическая пластина;
3 - полосковый излучатель;
4 - микрополосковая линия.
Антенна-прототип содержит слой диэлектрика 1 с микрополосковой линией 4, металлическую пластину 2 с Н-образной щелью и V-образный излучатель 3, поддерживаемый над Н-образной щелью в экранной плоскости с помощью диэлектрических стоек (на фиг.1 не показаны). Высота неизлучающих краев излучателя 3 над металлической пластиной 2 порядка 0,2λ ширина излучателя 3 не более 0,7λ, угол подъема боковых частей над плоскостью, параллельной плоскости металлической пластины 2, 30°, длина неизлучающих краев полоскового излучателя 3 порядка 0,4λ, размеры щели связи около 0,24λ×0,2λ, где λ - длина волны на центральной частоте.
Функционирование антенны-прототипа заключается в следующем.
Возбуждение антенны-прототипа осуществляется 50-омной микрополосковой линией 4 со шлейфом для обеспечения согласования. Возбуждение щели происходит за счет электромагнитного взаимодействия с полем симметричной микрополосковой линии 4. Н-образная форма апертуры связи позволяет при небольших ее размерах осуществлять эффективную связь между микрополосковой линией 4 и излучателем 3, при этом боковые части Н-образной щели в основном влияют на реактивную составляющую входного сопротивления, а уровень обратного излучения невысок по сравнению с вариантом использования линейной щели.
Недостатками устройства-прототипа являются:
1. Недостаточно широкая полоса частот антенны, которая по уровню коэффициента стоячей волны (КСВ)<2 составляет не более 0,8 ГГц, что в ряде случаев ограничивает применение антенны на практике, в частности в системах радиомониторинга, системах связи с подвижными объектами, работающих в режиме частотного дуплекса, и т.д.
2. Недостаточно высокое значение коэффициента усиления, не превышающее 8,1 дБ согласно данным [C.L.Tang, C.W.Chiou, and K.L.Wong "Broadband dual-frequency V-shape patch antenna", Microwave Opt. Technol. Let. 25, 121-123, April 20, 2000].
Задача - расширение полосы рабочих частот антенны, повышение коэффициента усиления.
Для решения поставленной задачи в широкополосной микрополосковой антенне с высоким усилением, содержащей слой диэлектрика с микрополосковой линией, металлический экран с Н-образной щелью и полосковый излучатель, поддерживаемый над Н-образной щелью в экранной плоскости с помощью диэлектрических стоек, согласно полезной модели центральная часть излучателя расположена в плоскости, параллельной плоскости экрана, над Н-образной щелью, а две противоположные боковые стороны загнуты вверх таким образом, что в сечении излучатель имеет форму трапеции.
Схема предлагаемой антенны представлена на фиг.2, где обозначено:
1 - диэлектрическая подложка;
2 - металлический экран;
3 - полосковый излучатель;
4 - микрополосковая линия.
Предлагаемая антенна содержит диэлектрическую подложку 1 с микрополосковой линией 4, металлический экран 2 с Н-образной возбуждающей щелью, полосковый излучатель 3, поддерживаемый над Н-образной щелью в экранной плоскости с помощью диэлектрических стоек (на фиг.1 не показаны), центральная часть излучателя 3 расположена в плоскости, параллельной плоскости экрана 2, над Н-образной щелью, а две противоположные боковые стороны загнуты вверх таким образом, что в сечении излучатель 3 имеет форму трапеции. Высота неизлучающих краев излучателя 3 над экраном 2 не превышает трех десятых длины волны на центральной частоте излучения (выбирая соответствующим образом высоту неизлучающих краев излучателя над экраном, можно добиться высокого значения коэффициента усиления, стабильного в полосе частот антенны), ширина излучателя 3 не менее четырех десятых длины волны, длина неизлучающих краев не более половины длины волны, угол загиба боковых сторон излучателя 3 находится в диапазоне 30-60°, ширина центральной стороны параллельной экрану 2 излучающего элемента 3 не более одной десятой длины волны, а размеры щели связи не превышают 0,3λ×0,3λ, где λ - это длина волны на центральной частоте.
Функционирование антенны-прототипа заключается в следующем.
Питание антенны осуществляется с помощью 50-омной микрополосковой линии 4 со шлейфом для обеспечения согласования. Возбуждение Н-образной апертуры связи (такая форма является наилучшим выбором в смысле обеспечения эффективной связи и уменьшения обратного излучения антенны) происходит за счет электромагнитного воздействия с полем микрополосковой линии 4, при этом параллельная экрану плоскость излучателя 3 вносит дополнительную проводимость излучения, позволяя согласовать антенну в широкой полосе частот и снизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности.
Предлагаемая антенна может быть реализована по технологии печатных плат.
На фиг.3 представлена зависимость КСВ антенны-прототипа и предлагаемой антенны от частоты, на фиг.4 - зависимость КУ от частоты.
Моделирование работы антенны-прототипа и предлагаемой антенны показало, что при использовании воздуха в качестве диэлектрика достижимы следующие характеристики антенны:
1. Полоса рабочих частот антенны по уровню КСВ менее 2 составляет величину не менее 50% от центральной частоты;
2. Габаритные размеры излучателя около 0,4×0,5×0,2 длины волны на центральной частоте;
3. Усиление антенны в рабочей полосе частот не менее 8,5 дБ и достигает 10,5 дБ.
Таким образом, предлагаемая широкополосная микрополосковая антенна с высоким усилением за счет специальной формы полоскового излучателя обеспечивает расширение полосы рабочих частот антенной системы, увеличение коэффициента усиления.