АНТЕННА ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
SUBSURFACE SENSING ANTENNA

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к сверхширокополосным сверхвысокочастотным антеннам, в частности для применения в бесконтактных сверхширокополосных подповерхностных радарах, для 3D или 2D визуализации подповерхностных структур.
Уровень техники
Проблема применения сверхширокополосных (СШП) антенн сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона в различных радиочастотных устройствах заключается в том, что характеристики СШП СВЧ антенн, такие как габариты антенны, коэффициент отражения от питающего порта, изоляция между приемным и передающим трактом, согласование с внешней средой, влияют на все основные свойства самих устройств, такие как общие габариты устройства, изоляцию между приемным и передающим трактами, уровень паразитных поверхностных отражений излученного сигнала, согласование антенн и СВЧ радио трактов, мощность передатчика и т.д.
С одной стороны, размеры СШП СВЧ антенн должны быть минимальными из-за недостатка свободного пространства внутри современных электронных устройств, но с другой стороны, СШП СВЧ антенны должны иметь больший размер для сохранения требуемых характеристик приема-передачи сигналов.
На данный момент в большинстве подповерхностных радаров для зондирования почвы, дорог, мостов, зданий, сооружений и т.д. используются дипольные СШП СВЧ антенны, имеющие вид двух симметричных треугольных расходящихся проводящих поверхностей-монополей. Подобные антенны-диполи известны под условным названием «бабочка» (в английской терминологии «bow-tie», т.е. «галстук-бабочка»). Принципиальная широкополосность этих антенных структур физически поясняется увеличением, с ростом длины радиоволны, действующей напряженности электрического возбуждающего (или принимаемого для приемной антенны) тока по длине излучающего треугольника по мере удаления от точек питания. Т.е., чем больше рабочая длина волны, тем больше реализуемая эффективная длина излучающий структуры. Однако некоторые радары и приложения требуют улучшения характеристик подобных антенн-диполей. Требования обусловлены малым размером устройств, в которые встраиваются СШП СВЧ антенны, и, как следствие, СШП СВЧ антенны должны обладать меньшим размером, иметь стабильное согласование в широком диапазоне частот, надежную изоляцию между приемным и передающим трактом для предотвращения перегрузки входа приемника сигналом прямого прохождения (сигнала) передатчика на вход приемника радара и достижения хорошего энергосбережения. Чем стабильнее согласование антенны, тем меньше энергии теряется при отражении от ее порта. Следовательно, требуется меньшая мощность генератора и меньшее общее энергопотребление. Аналогично, подавление излучения назад уменьшает потери энергии на обратное излучение и ведет к тому же положительному результату. Кроме того, подавление излучения назад повышает достоверность получаемых данных и предотвращает влияние близлежащих предметов (например, рука оператора) на получаемый приемником сигнал.
Минимальные размеры (длина, ширина, толщина) СШП СВЧ антенн требуются, прежде всего, в мобильных (носимых) устройствах, например, таких как мобильные телефоны, так как данные устройства имеют малые размеры (длина, ширина, толщина) и небольшое внутреннее пространство для размещения электронных блоков.
Таким образом, особенно важный параметр для СШП СВЧ антенн в мобильных (носимых) устройствах - это толщина, т.к. сами мобильные (носимые) устройства, как правило, имеют малый размер толщины (от 0,5 см). Также, с точки зрения конструкции, при малых размерах СШП СВЧ антенны должны обладать повышенной  помехозащищенностью от других электронных блоков мобильного устройства для обеспечения одновременной работы всех блоков. Поэтому обычно на СШП СВЧ антенны с задней стороны устанавливают экранировку в виде слоя металлизации, что предотвращает влияние внешних паразитных сигналов на антенну, и наоборот. Кроме того, дополнительные требования предъявляются к рабочему диапазону частот СШП СВЧ антенн. Обычно, чем крупнее антенна, тем ниже ее рабочий диапазон частот, и наоборот (общее правило для всех антенн). Попытки уменьшения размеров СШП СВЧ антенн существующих конструкций только лишь внедрением материалов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости не дают требуемый результат, т.к. это ведет к сужению рабочего диапазона частот. Следовательно, уменьшение размеров СШП СВЧ антенн должно быть обеспечено более комплексным подходом.
В уровне техники известны решения, решающие проблему повышения коэффициента диэлектрической проницаемости СШП СВЧ антенны с сохранением ее размеров, например, в патенте US 5,563,616 A предложена антенна, изготовленная с применением материала с малыми потерями и высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости. Это традиционная антенна-диполь, типа «бабочка», изготовленная на стандартной диэлектрической подложке с металлическим экраном на задней стороне.
Указанное техническое решение является наиболее близким прототипом к предлагаемому изобретению. Основной недостаток изобретения по патенту US 5,563,616 A заключается в том, что не предложены методы сохранения повышения коэффициента диэлектрической проницаемости при уменьшении габаритов антенны. Этот недостаток особенно критичен, если СШП СВЧ антенна используется для работы на частотах 3 ГГц и меньше.
В патенте US 7,123,207 B2 предложена СШП СВЧ печатная антенна типа «бабочка». Это традиционный дизайн антенн подобного класса, изготавливаемый на диэлектрической подложке совместно с цепями согласования сопротивлений. Основные недостатки существующих изобретений, таких как US 7,123,207 B2:
- не предложено метода уменьшения габаритов антенны;
- отсутствие экрана на задней стороне антенны приводит к существенному влиянию окружающих объектов на характеристики СШП СВЧ антенны.
С указанными недостатками антенна, предложенная в US 7,123,207 B2, будет иметь больший размер, чем требуется для использования в мобильных и носимых устройствах. Также она будет подвержена влиянию окружающих электронных блоков мобильного устройства. Такое влияние можно убрать лишь дополнительной экранировкой.
В патенте US 7,372,409 B2 предложена СШП СВЧ патч-антенна в виде нагруженных щелями треугольных слотов, с экранировкой обратного излучения. Эта антенна усовершенствована специальными щелями в качестве дополнительной нагрузки. Такое усовершенствование ведет к уменьшению ширины и длины антенны. Однако изобретение имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что не предложено метода уменьшения толщины антенны.
СШП СВЧ антенна с указанным недостатком. предложенная в патенте US 7,372,409 B2, имеет толщину порядка 0.07λ и может использоваться только в мобильных устройствах с большой толщиной корпуса.
Как следует из вышеизложенного, одна из основных проблем современных электронных приборов, в частности мобильных и носимых устройств, – недостаток внутреннего свободного пространства. По этой причине особенно остро стоит проблема разработки СШП СВЧ антенн минимальных размеров с сохранением и усилением характеристик их работы. Однако такие характеристики антенн, как рабочий диапазон частот, ширина полосы, напрямую зависят от размера антенны. Т.е. чем больше размер, тем выше, например, нижняя граница рабочего диапазона частот.
Сущность изобретения
Заявляемое техническое решение раскрывает микроволновую широкополосную антенну с сохранением нижней границы рабочего диапазона частот 3,1 ГГц, а также ширины полосы рабочего диапазона частот 2,9 ГГц с габаритами на 25-30 % меньше, чем у аналогов.
Согласно настоящему изобретению, сверхширокополосная СВЧ антенна содержит по меньшей мере два проводящих слоя: нижний излучающий слой типа «бабочка» и слой перераспределения токов, имеющий прорези, заканчивающиеся вырезами произвольной формы; микрополосок для питания антенны, расположенный на слое перераспределения токов изолированно от остальной части слоя перераспределения токов; по меньшей мере, два запитывающих вертикальных соединителя, соединяющих между собой нижний слой и слой перераспределения токов; и по меньшей мере два вертикальных соединителя, заземляющих слои антенны.
В варианте осуществления, антенна содержит по меньшей мере три заземляющих вертикальных соединителя, при этом заземляющие вертикальные соединители располагаются либо на одинаковых расстояниях друг от друга, либо по экспоненциальному распределению, либо в зависимости от распределения плотности токов, либо по любому иному закону.
В варианте осуществления, нижний излучающий слой типа «бабочка» содержит симметричные и/или ассиметричные относительно оси антенны элементы произвольной формы.
В варианте осуществления, антенна имеет произвольную внешнюю форму.
В варианте осуществления, антенна изготовлена на стандартной СВЧ диэлектрической гибкой или негибкой подложке или с применением технологии антенна-на-кристалле.
В варианте осуществления, антенна дополнительно содержит верхний экранирующий слой.
В варианте осуществления, прорези и вырезы расположены симметрично относительно оси антенны.
В варианте осуществления, вырезы расположены на стороне прорезей, ближней к оси антенны.
В варианте осуществления, прорези имеют прямоугольную форму, а вырезы имеют круглую форму.
В варианте осуществления, микрополосок расположен вдоль оси антенны и проходит от края слоя перераспределения токов к его центру.
В варианте осуществления, по меньшей мере один запитывающий соединитель соединяет микрополосок с по меньшей мере одним из излучающих элементов нижнего слоя, и по меньшей мере один другой запитывающий соединитель соединяет микрополосок с по меньшей мере одним другим из излучающих элементов нижнего слоя.
Технический результат заявленного изобретения заключается в сохранении рабочего диапазона частот (например, нижней и верхней границы рабочего диапазона частот 3,1 и 6 ГГц соответственно) микроволновой широкополосной антенны, при значительном уменьшении ее размеров (длина и ширина – габариты в плоскости слоев антенны и толщина – максимальное расстояние по вертикали между излучающим и экранным слоями антенны).
Основные усовершенствования, позволяющие достичь заявленный технический результат и требуемые характеристики рабочего диапазона частот микроволновой широкополосной антенны, указаны ниже:
- внутренний металлический слой со специальными вырезами, перераспределяющими наведенные токи. Он располагается между нижним излучающим слоем и верхним экраном. За счет создания специальных вырезов в этом слое, происходит удлинение путей токов на нем, что, в свою очередь, приводит к возможности увеличения рабочей длины волны и, соответственно, уменьшение рабочих частот вниз по диапазону;
- нижний излучающий металлический слой, изготовленный в виде антенны-диполь типа «бабочка» с элементами произвольной формы;
- межслойными заземляющими соединениями, выстроенными в ряд по сторонам антенны и имеющими плотность расстановки соответствующую плотности токов в данном участке антенны;
- СШП СВЧ антенна разработана с учетом возможности изготовления в виде многослойной печатной платы из обычного материала или в виде антенны на кристалле. Для этого вся металлизация антенны изготавливается на параллельных слоях, для соединения между слоями используются исключительно стандартные для печатных плат вертикальные соединители.
Вышеприведенное представляет собой краткую неограничивающую сущность задач, аспектов и преимуществ настоящего изобретения. Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны из нижеприведенного подробного описания изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение будет подробно описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
На фиг. 1 изображены основные слои и элементы микроволновой широкополосной антенны:
- на фиг. 1A изображен внутренний слой перераспределения токов;
- на фиг. 1B изображен верхний металлический экранирующий слой;
- на фиг. 1C изображены межуровневые заземляющие соединители размещенные линейно с дистанцией обратно пропорциональной плотности распределения токов;
- на фиг. 1D изображен нижний излучающий слой типа «бабочка».
На фиг. 2 изображен пример смещения рабочего диапазона частот СШП СВЧ антенны вниз по спектру:
- на фиг. 2A изображен рабочий диапазон классической реализации антенны с верхним экранирующим слоем;
- на фиг. 2B изображен рабочий диапазон предложенной микроволновой широкополосной антенны с такими же габаритами.
На фиг. 3 изображены различные возможные формы микроволновой широкополосной антенны.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1 изображены основные проводящие слои и элементы микроволновой широкополосной  антенны в предпочтительном варианте реализации предлагаемого изобретения.
На фиг. 1A изображен внутренний слой 110 перераспределения токов СШП СВЧ антенны 100. Этот слой 110 расположен между верхним металлическим экранирующим слоем 120 (см. далее на Фиг. 1B) и нижним излучающим слоем 130 типа «бабочка» (см. далее на Фиг. 1D). Внутренний слой 110 перераспределения токов имеет вырезы 111 в форме узких щелей, оканчивающихся круглым вырезом, предназначенных для удлинения путей протекания токов и для расширения рабочего диапазона частот в сторону нижних частот. Конфигурация щелей и вырезов может быть изменена по технологическим соображениям либо с целью оптимизации характеристик антенны в каком-либо поддиапазоне рабочих частот. Удлинение путей протекания токов увеличивает рабочую длину волны СШП СВЧ антенны 100. В одном неограничивающем примере прорези могут иметь прямоугольную форму, а вырезы - круглую форму. Прорези и вырезы могут быть расположены симметрично или несимметрично относительно оси антенны. Вырезы могут быть расположены на той стороне прорезей, которая является ближней к оси антенны.
Также внутренний слой 110 перераспределения токов может содержать в себе микрополосковую линию 112 питания СШП СВЧ антенны 100, идущую от края внутреннего слоя 110 к его центру и затем соединенную с нижним излучающим слоем 130 с помощью запитывающих (вертикальных) соединителей 113. Края внутреннего слоя 110 перераспределения токов должны быть заземлены с помощью межуровневых заземляющих соединителей 140 в виде полых цилиндров.
На фиг. 1B изображен верхний металлический экранирующий слой 120 СШП СВЧ антенны 100. Указанный слой 120 электрически заземлен с помощью межуровневых заземляющих соединителей 140 со слоями 110 и 130.
Верхний металлический экранирующий слой 120 делается на СШП СВЧ антенне 100 опционально, в зависимости от количества слоев на плате целевого устройства, и позволяет обеспечивать максимальную простоту и технологичность изготовления. Его применение оправдано в случае необходимости подавления излучения в заднее полупространство мобильного устройства более чем на 10дБ и в случае необходимости экранировки от окружающих элементов. В случаях, если экранировка от окружающих объектов не требуется, например в автономных радарах, не встраиваемых в электронные устройства, СШП СВЧ антенна 100 может быть изготовлена и без верхнего металлического экранирующего слоя 120 и, таким образом, содержать всего два слоя.
СШП СВЧ антенна 100, реализованная без верхнего металлического экранирующего слоя 120, имеет характеристики, схожие с антенной в предпочтительном варианте реализации предлагаемого изобретения (т.е. работает в диапазоне частот 3.1-10 ГГц), за исключением меньшей толщины и необходимости лишь двух слоев, что делает ее востребованной для большинства устройств, изготовленных на двуслойных печатных платах.
На фиг. 1C изображено выполнение СШП СВЧ антенны 100 с межуровневыми заземляющими соединителями 140, расположенными не на равном расстоянии, а с дистанциями, обратно пропорциональными плотности распределения токов, для уменьшения потерь при протекании токов между слоями. Данный вариант реализации СШП СВЧ антенны 100 используется в случаях, когда антенны используются для передачи радиосигнала большой мощности, либо когда необходимо обеспечить минимальное сопротивление токам, протекающим между слоями антенны.
На фиг. 1D изображен нижний излучающий слой 130 с двумя симметричными излучающими частями диполя 131 и 132, сделанными в форме двух треугольников с точкой питания в центре нижнего излучающего слоя 130 (разновидность СШП антенны-диполя типа «бабочка»). Такой вид и расположение излучающих элементов обеспечивает широкий рабочий диапазон частот и равномерную диаграмму направленности СШП СВЧ антенны 100.
На фиг. 2A, 2B приведены графики коэффициента отражения от порта антенны S21. По горизонтали отложена частота в ГГц, по вертикали – коэффициент отражения S21 в дБ. В качестве порога для определения рабочей полосы частот выбран уровень S21≤-6 дБ. Рабочий диапазон частот дополнительно выделен серым прямоугольником. На фиг. 2A изображен рабочий диапазон классической реализации антенны с верхним экранирующим слоем (например, как в US 5,563,616 A). На фиг. 2B изображен рабочий диапазон предложенной микроволновой широкополосной антенны с такими же габаритами.
Как показано на графиках фиг. 2, предложенная антенна позволяет отодвинуть нижнюю границу рабочего диапазона частот с 4,4 ГГц до 3,3 ГГц без увеличения габаритов антенны.
Внутренний слой 110 перераспределения токов может иметь вырезы в виде узких щелей, оканчивающихся вырезом в форме различных геометрических фигур: круг, треугольник, квадрат, многоугольник. Кроме того, питающая микрополосковая линия 112 может быть расположена на слое 110, либо на верхнем металлическом экранирующем слое 120, либо питание антенны может осуществляться припаянным СВЧ коаксиальным кабелем.
Предпочтительный вариант реализации предлагаемого изобретения следующий.
СШП СВЧ антенна 100 состоит из трех слоев: внутреннего слоя 110 перераспределения токов, верхнего металлического экранирующего слоя 120, нижнего излучающего слоя 130 типа «бабочка». Внутренний слой 110 перераспределения токов имеет вырезы 111, представляющие собой тонкие прорези, идущие от края слоя к его линии симметрии и оканчивающиеся круглыми вырезами вблизи оси симметрии СШП СВЧ антенны 100. Также, СШП СВЧ антенна 100 содержит межуровневые заземляющие соединители 140, электрически соединяющие все три слоя на двух или четырех сторонах СШП СВЧ антенны 100. На внутреннем слое перераспределения токов 110 расположена линия питания 112, идущая от края слоя перераспределения токов 110 к его центру и затем соединенная с нижним излучающим слоем 130 с помощью питающих (вертикальных) соединителей 113.
Предложенное техническое решение - СШП СВЧ антенна 100 применимо в задачах подповерхностного зондирования в медицинских целях, здравоохранении, фитнесе. В биомедицинских приложениях СШП СВЧ антенна 100 может использоваться для неинвазивного зондирования структуры тканей тела. При этом прямой электрический контакт, а также применение специальных гелей не требуется. СШП СВЧ антенны 100 также могут применяться в детекторах движения (сердцебиения, дыхания и т.д.).
СШП СВЧ антенна 100 может иметь прямоугольную форму, либо форму других геометрических фигур: круг, треугольник многоугольник, либо иметь форму, соответствующую форме пространства, отведенного в устройстве под данную антенну, подходящую под внутренние габариты целевого устройства, что достигается за счет применения гибкого материала при изготовлении микроволновой широкополосной антенны. Материал, из которого изготовлена СШП СВЧ антенна 100, может быть один из общеизвестных СВЧ диэлектриков, например FR-4, Rogers, или на основе гибких печатных плат, или в соответствии с технологией антенна-на-чипе, или антенна может иметь воздушное заполнение внутреннего пространства для удешевления конструкции. СШП СВЧ антенна 100 может быть изготовлена на стандартной СВЧ диэлектрической подложке (в том числе гибкой).
СШП СВЧ антенна 100 может выполнять функции приема/передачи в случае одноантенной схемы либо функцию приема или передачи раздельно, в случае многоантенных радаров.
Многоантенные радары с СШП СВЧ антеннами 100 могут применяться, например, в системах предотвращения столкновения автомобилей, медицинского сканирования без перемещения телефона по поверхности и т.д.
Верхний экранирующий слой 120 важен при повышенных требованиях к минимизации обратного излучения СШП СВЧ антенны 100, а также для защиты от воздействия внешних компонентов. Даже при условии использования верхнего экранирующего слоя 120 наиболее критичный размер антенн – толщина – может быть уменьшен до 1 мм в частотном диапазоне 3.1-10 ГГц за счет использования заявляемой конструкции СШП СВЧ антенны.
При отсутствии таких требований верхний экранирующий слой 120 может не использоваться. В таком случае СШП СВЧ антенна 100 будет иметь только два слоя.
Заземляющие соединители 140 могут располагаться как с двух сторон СШП СВЧ антенны 100, так и со всех четырех сторон, в зависимости от требований к силе боковых лепестков паразитного излучения. Расположение заземляющих соединителей 140 может быть как с одинаковым расстоянием между ними, так и с переменным расстоянием, например, по экспоненциальному распределению, либо в зависимости от распределения плотности токов, либо по любому иному закону. Например, расстояние между соединителями можно уменьшать (размещать их плотнее) в местах большей концентрации токов с целью уменьшения резистивных потерь токов при протекании в антенне.
Нижний излучающий слой 130 типа «бабочка» имеет две половины 131 и 132. Они могут иметь форму треугольников либо других фигур, обеспечивающих перетекание тока с нижнего излучающего слоя на верхний. Кроме того, нижний излучающий слой 130 типа «бабочка» может иметь как симметричные, так и ассиметричные относительно оси антенны элементы.
СШП СВЧ антенна 100, встроенная, например, в мобильный телефон, позволяет производить подповерхностное зондирование толщины жировой ткани тела человека и изображать результат измерения на экране того же мобильного телефона.
СШП СВЧ антенна 100 в мобильном телефоне работает следующим образом: антенна излучает СВЧ сигнал, поступающий от передатчика внутрь исследуемого объекта. Этот сигнал претерпевает множественные отражения внутри объекта, которые возвращаются обратно. Отражения, попавшие в антенну, передаются в приемник. После обработки в приемнике и в цифровом блоке, результаты измерения отражений в глубине исследуемого объекта представляются на экране телефона.
Промышленная применимость
Предложенное изобретение описывает антенну для приема/передачи СШП радиосигнала и не касается принципов генерации, детектирования, модулирования/демодулирования, цифровых преобразований сигнала. Предложенная антенна изначально рассчитана для радара для неинвазивного отображения подповерхностного строения тканей тела человека в задачах периодического мониторинга эффективности физических упражнений. При этом в общем смысле предусматривается применение данного изобретения в радарах для измерения толщины тканей тела (например, жир и т.д.)  при подповерхностном неинвазивном зондировании медицинского и немедицинского назначения. Структура предложенной СШП антенны в указанном контексте может быть применена одинаково эффективно в различных радиочастотных устройствах. К таковым относятся радары подповерхностного зондирования, устройства радиолокации, системы беспроводной передачи данных, системы беспроводной передачи энергии.