РУПОРНАЯ КОЛЛИНЕАРНО-МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА
HORN COLLINEAR MICROSTRIP ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к рупорным коллинеарно-микрополосковым антеннам СВЧ-диапазона, и может быть использовано в метрологии, в системах связи, в радиодефектоскопии, в мониторинге, в решении задач электромагнитной совместимости.
Известна антенна (см. Пат. РФ №2199173, МПК H01Q 21/10, опубл. 20.02.2003 г.). Она содержит решетку из диэлектрических диполей, центральный проводник, помещенный внутри диэлектрической трубки, соосно с которыми расположены первые металлические трубки, концы которых отделены друг от друга диэлектрическими шайбами и гальванически соединены с концами вторых металлических трубок, которые расположены соосно с первыми, снаружи и напротив них, а на конце крайней из первых установлен коаксиальный разъем, при этом первые металлические трубки имеют отрезки с увеличенным диаметром, примыкающие к диэлектрическим шайбам со стороны разъема.
Недостатком аналога является ограниченная область применения, так как антенна реализует только круговую диаграмму направленности (ДН). Кроме того, аналог имеет относительно узкую полосу рабочих частот.
Известны коллинеарные антенны последовательного и параллельного типа фирмы Радиал (см. Базовое антенно-фильтровое оборудование. Коллинеарные антенны, http://www.radial.ru/faq/texts/kollinear/). Все излучающие элементы фазированной антенной решетки расположены друг под другом. Фазировка элементов осуществляется линией питания одинаковой длины для всех активных элементов. Недостатком данных антенн является также относительно узкая полоса рабочих частот и ограниченная область применения.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому устройству является коллинеарная микрополосковая антенна (см. R.Bancroft, В.Bateman. Design of a Planar Omnidirectional Antenna for Wireless Aplications. Centurion Wireless Technologies, Westminster, Colorado //www.ctnturion.com/pdf/wp_omni_wireless.pdf).
ср
Антенна-прототип содержит N каскадно соединенных отрезков микрополосковых линий, размещенных соосно на прямоугольной диэлектрической подложке вдоль ее продольной оси симметрии с обеих сторон таким образом, что составляющие их полоски и экраны размещаются зеркально и чередуются. При этом полосок предыдущего отрезка соединен с экраном последующего и, наоборот. Нумерация отрезков n направлена в сторону возрастания продольной координаты подложки, n=1, 2, N. Электрическая длина l всех отрезков микрополосковых линий равна половине длины волны в середине заданной полосы рабочих частот l=λ/2. Ширина экранов Н всех отрезков микрополосковых линий равна и определяется из выражения Н=5h, где h - ширина полоска. Внешние концы первого и N-го полосков соединены с первым и вторым дополнительными экранами соответственно, причем напротив второго дополнительного экрана зеркально размещается первый укороченный полосок с электрической длиной l/2. Начало этого полоска соединено с серединой внешнего конца последнего экрана на другой стороне диэлектрической подложки, а его конец через первый шунт электрически соединен с центром противолежащего второго дополнительного экрана. Антенна также содержит коаксиальный кабель и второй шунт, первый конец которого электрически соединен с центром первого дополнительного экрана, зеркально с которым размещается второй укороченный полосок с электрической длиной l/2. Начало полоска соединено с центральной нижней точкой первого экрана первого отрезка микрополосковой линии и центральным проводником коаксиального кабеля. Внешний проводник коаксиального кабеля электрически соединен со средней верхней точкой первого дополнительного экрана. Второй конец второго укороченного полоска соединяется со вторым концом второго шунта.
Недостатком прототипа является относительно низкий коэффициент усиления. Это обусловлено тем, что антенна-прототип обеспечивает всенаправленный прием сигналов с вертикальной поляризацией.
Целью заявляемого технического решения является разработка широкополосной направленной антенны, обеспечивающей повышение коэффициента усиления.
cp
ср
n
n
1
n
1
n
n
g1
g2
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из N каскадно соединенных отрезков микрополосковых линий, размещенных соосно на прямоугольной диэлектрической подложке вдоль ее продольной оси с обеих сторон таким образом, что составляющие их полоски и экраны размещаются зеркально и чередуются, а полосок предыдущего отрезка соединен с экраном последующего и, наоборот, при этом нумерация отрезков n направлена в сторону возрастания продольной координаты подложки n=1, 2, N; электрическая длина l всех отрезков микрополосковых линий равна половине длины волны в середине заданной полосы рабочих частот l=λl/2, внешние концы первого и N-го полосков соединены с первым и вторым дополнительными экранами соответственно, причем напротив второго дополнительного экрана зеркально размещается укороченный полосок с электрической длиной l/2, начало которого соединено с серединой внешнего конца последнего экрана, а его конец через первый шунт электрически соединен с центром противолежащего второго дополнительного экрана, второго шунта и коаксиального кабеля, дополнительно введен металлический рупор в форме усеченного под углом β прямого цилиндра с прямоугольным сечением, контур которого совпадает с контуром диэлектрической подложки. Секущая рупор плоскость ортогональна широкой его боковой стенке, а с малой и большой узкими боковыми стенками составляет углы 90°+β и 90°-β соответственно, если отсчитывать их со стороны рупора. Раскрыв рупора образован пересечением цилиндрической поверхности с секущей плоскостью, при этом угол β=5°÷15°, значение которого определяется количеством отрезков микрополосковых линий N. Диэлектрическая подложка устанавливается внутри рупора параллельно его задней стенке на расстоянии (0,4-0,6)λ а их совокупность образуют резонатор антенны, при этом край малой узкой боковой стенки рупора выступает над диэлектрической подложкой на 0,5÷1,5 см. Первый и второй дополнительные экраны электрически соединены с малыми узкими боковыми стенками рупора. Напротив первого дополнительного экрана на другой стороне диэлектрической подложки между первым полоском и малой узкой боковой стенкой рупора размещен шлейф, состоящий из исходящих из одной точки трех полосков. При этом свободный конец первого из них соединен с нижней средней точкой первого экрана. Второй конец второго полоска через второй шунт электрически соединен с первым дополнительным экраном, а второй конец третьего полоска через отверстие в подложке электрически соединен с центральным проводником коаксиального кабеля. Внешний проводник коаксиального кабеля электрически соединен с первым дополнительным экраном. Ширина каждого из элементов N отрезков микрополосковых линий выбирается из условия h=Kh, K=1÷1,4; h=(0,5÷2) мм - ширина первого полоска, ширина соответствующих n-ных экранов микрополосковых линий H=5h, ширина первого и второго дополнительных экранов H и H определяются из условия (0,2…0,3)А, где А - ширина раскрыва рупора. Коаксиальный кабель вводится в рупор через отверстие в нижней меньших размеров боковой стенке.
10
2
Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что вводится рупор, вертикальный размер раскрыва которого В (см. фиг.1) существенно превышает горизонтальный А, а возбуждение поля Н на раскрыве осуществляется коллинеарным микрополосковым возбудителем, позволяет достичь цели изобретения, т.е. повысить коэффициент усиления антенны. Большая площадь раскрыва рупора (~λ) обеспечивает повышенный коэффициент усиления ~12 дБ, а малый горизонтальный его размер ~0,5λ позволяет сохранить при этом достаточную ширину ДН в горизонтальной плоскости ~90°.
Заявляемая антенна поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 показана полностью собранная антенна в соответствии с заявляемым изобретением;
на фиг.2а, б иллюстрируются соответственно передняя и задняя стороны диэлектрической пластины резонатора с нанесенными на ней элементами отрезков микрополосковых линий для случая N=5;
на фиг.3 приведены габаритные размеры заявляемой антенны;
на фиг.4 приведена боковая проекция каскадно соединенных отрезком микрополосковых линий на обеих сторонах диэлектрической подложки и распределение поля Е и тока I;
на фиг.5 представлен график изменения измеренных частотных характеристик заявляемой антенны (зависимость КСВ от используемых частот);
на фиг.6 иллюстрируется изменение значения входного сопротивления антенны;
на фиг.7а, б, с приведены диаграммы направленности антенны в плоскости {X, Y} для частот 2,2 ГГц, 2,3 ГГц и 2,4 ГГц соответственно;
на фиг.8а, б, с приведены диаграммы направленности антенны в плоскости {X, Z} для частот 2,2 ГГц, 2,3 ГГц и 2,4 ГГц соответственно.
p
На фиг.1, 2 и 3 приведен вариант изготовления заявляемой антенны, при котором количество отрезков микрополосковых линий на диэлектрической пластине (подложке) резонатора N=5, как и в устройстве-прототипе. Выбор одинаковых значений N объясняется необходимостью объективного сравнения характеристик рассматриваемых антенн. На фиг.3 представлены оптимальные размеры антенны, которые были получены на опытном макете на заданную полосу частот (2,1-2,53 ГГц, КСВ=2). Рупор выполнен из металла в форме усеченного на угол β прямого цилиндра с прямоугольным сечением. Площадь заземленного экрана-рефлектора D2×D4 составила 267×98 мм. Пластина резонатора выполнена в виде коллинеарно-микрополосковой антенны, размеры которой совпадают с размерами экрана-рефлектора (задней стенки рупора). Высота установки пластины резонатора (см. фиг.2) над землей h=70 мм. Размеры двух больших из боковых стенок рупора составляют 80×269×112×272 мм. Размеры верхней и нижней боковых стенок рупора равны 112×100 мм и 80×100 мм соответственно.
ср
Рупорная коллинеарно-микрополосковая антенна (см. фиг.1, 2, 3) содержит N каскадно соединенных отрезков микрополосковых линий 1.1-1.N, размещенных соосно на прямоугольной диэлектрической подложке 2 вдоль ее продольной оси симметрии таким образом, что составляющие их полоски 3.1-3.N и экраны 4.1-4.N размещаются зеркально и чередуются, а полосок 3.n предыдущего отрезка 1.n соединен с экраном 4.n+1 последующего и, наоборот, при этом нумерация отрезков n направлена в сторону возрастания продольной координаты подложки 2, n=1, 2, N; электрическая длина всех отрезков микрополосковых линий 1.1-1.N равна половине длины волны в середине заданной полосы рабочих частот l=λ/2, внешние концы первого 3.1 и N-го 3.N полосков соединены с первым 5 и вторым 6 дополнительными экранами соответственно, причем напротив второго дополнительного экрана 6 зеркально размещается укороченный полосок 7 с электрической длиной l/2, начало полоска 7 соединено с серединой внешнего конца последнего экрана 4.N, а его конец через первый шунт 8 электрически соединен с центром противолежащего второго дополнительного экрана 6, а также второй шунт 9 и коаксиальный кабель 10.
cp
n
n
1
n
1
n
n
g1
g2
Для обеспечения повышения коэффициента усиления антенны дополнительно введен металлический рупор 11 в форме усеченного под углом β прямого цилиндра с прямоугольным сечением, контур которого совпадает с контуром диэлектрической подложки 2. Секущая рупор 11 плоскость ортогональна широкой его боковой стенке, а с малой и большой узкими боковыми стенками составляет углы 90°+β и 90°-β соответственно, если отсчитывать их со стороны рупора. Раскрыв рупора 11 образован пересечением цилиндрической поверхности с секущей плоскостью, при этом угол β=5°÷15°. Значение угла β определяется количеством используемых отрезков 1 микрополосковых линий N. Диэлектрическая подложка 2 устанавливается внутри рупора 11 параллельно задней его стенке на расстоянии (0,4-0,6)λ, а их совокупность образуют резонатор 12 антенны. При этом край малой узкой боковой стенки рупора 11 выступает над диэлектрической подложкой 2 на 0,5÷1,5 см. Первый 5 и второй 6 дополнительные экраны электрически соединены с малыми узкими боковыми стенками рупора 11. Напротив первого дополнительного экрана 5 на другой стороне диэлектрической подложки 2 между первым полоском 3.1 и малой узкой боковой стенкой рупора 11 размещен шлейф 13. Последний состоит из исходящих из одной точки трех полосков. При этом свободный конец первого из них соединен с нижней средней точкой первого экрана 4.1. Второй конец второго полоска через второй шунт 9 электрически соединен с первым дополнительным экраном 5. Второй конец третьего полоска через отверстие в подложке электрически соединен с центральным проводником коаксиального кабеля 10. Внешний проводник кабеля 10 электрически соединен с первым дополнительным экраном 5. Ширина каждого из элементов N отрезков микрополосковых линий 1.1-1.N выбирается из условия h=Kh, K=1÷1,4; h=(0,5÷2) мм - ширина первого полоска 3.1. Ширина соответствующих экранов 4.1-4.N микрополосковых линий 1.1-1.N H=5h, а ширина первого 5 и второго 6 дополнительных экранов H и H определяется из условия (0,2…0,3)А, где А - ширина раскрыва рупора 11. Коаксиальный кабель 10 вводится в рупор 11 через отверстие в нижней боковой стенке меньших размеров.
Рупорная коллинеарно-микрополосковая антенна работает следующим образом.
Заявляемая антенна (см. фиг.1, 2 и 3) состоит из двух основных элементов: рупора 11 и резонатора 12. Пластина 2 резонатора 12 представляет собой плоскую коллинеарную щелевую антенну специальной формы, запитанную с одного конца. Она содержит N каскадно соединенных отрезков микрополосковых линий 1.1-1.N, количество, форма и размеры которых определяют заданное значение рабочей полосы частот. Для согласования антенны с коаксиальным кабелем 10 используется шлейф Татаринова 13. Реализованные в ней первый и второй шунты 8 и 9 соответственно предназначены для сдвига фазы тока I на 180° (см. R.Bancroft, В.Bateman. Design of a Planar Omnidirectional Antenna for Wireless Aplications. Centurion Wireless Technologies, Westminster, Colorado//www.ctnturion.com/pdf/wp_omni_wireless.pdf). Объем резонатора 11 ограничен размерами рупора 10.
Необходимые для передачи электрические сигналы поступают на заявляемую антенну от коаксиального кабеля 10. Возбуждение резонатора 12 начинается в точках С и D пластины 2 (см. фиг.2 и 4). Поступивший в точку С сигнал через шлейф Татаринова 13 перемещается в направлении второго шунта 9 к точке А' (см. X.Мейнке, Ф.В.Гундлах. Радиотехнический справочник. Том 1. Перев. с немецкого. -М: Государственное энергетическое издательство - 1960 г., стр.214-217). В результате обеспечивается фазовый сдвиг сигнала на 90°. Далее с помощью второго шунта 9 реализуется дополнительный фазовый сдвиг на 180°. Затем при прохождении сигнала из точки А в точку D (см. фиг.3, 4) выполняется дополнительный сдвиг фазы сигнала на 90°. В результате обеспечивается согласование антенны с коаксиальным кабелем 10 (суммарный сдвиг фазы сигнала на 360°) и синфазное распределение сигнала по обеим сторонам пластины 2.
На фиг.4 представлена боковая проекция каскадно соединенных отрезков микрополосковых линий 1.1-1.N. Пусть электромагнитная волна смещается вправо. На фиг.4 отражен момент прихода волны ко второму шунту 9. Элементы отрезков микрополосковых линий 1 (полоски 3.1-3.N и экраны 4.1-4.N) взаимно параллельны и чередуются. В результате полосок 3.n предыдущего отрезка 1.n соединен с экраном 4.n+1 последующего отрезка 1.n+1 и, наоборот. В результате в экранах 4.1-4.N на обеих сторонах пластины 2 создаются синфазные токи I. Шунты 8 и 9 расположены на концах каскадно соединенных отрезков микрополосковых линий 1 в минимумах электрического поля и предназначены для формирования закрытого резонанса. На каждом стыке отрезков микрополосковых линий 1.1-1.N (см. фиг.4) в структуре поля происходит разрыв. В точках разрыва электрическое поле достигает своего максимума.
n
n
1
n
1
n
n
g1
g2
4
Размещение коллинеарной микрополосковой антенны в рупоре приводит к существенному уменьшению сопротивления токам смещения, который замыкается на боковые стенки рупора 11. Это влечет за собой уменьшение тока I. На практике эта проблема решается следующим образом. Если уменьшать ширину излучающих элементов антенны (экранов прямоугольной формы 4.1-4.N), то в пределе антенна апроксимируется неизлучающей двухпроводной линией передачи. Это позволяет скорректировать полное входное сопротивление линии передачи путем изменения ширины каждого излучающего элемента (см. R.Bancroft, В.Bateman. Design of а Planar Omnidirectional Antenna for Wireless Aplications. Centurion Wireless Technologies, Westminster, Colorado //www.ctnturion.com/pdf/wp_omni_wireless.pdf). Результатом выравнивания тока I по высоте антенны является неоднородная структура коллинеарной антенны. На основе выполненных работ получены следующие результаты. Ширина полосок 3.1-3.N отрезков 1.1-1.N микрополосковых линий должна выбираться из условия: h=Kh, K=1÷1,4; h - ширина первой полоски. Ширина соответствующих экранов 4.1-4.N равна H=5h. Этому правилу не подчиняются два крайних дополнительных экрана 5 и 6. Практические испытания показали, что их ширина должна составлять H=H=(0,2…0,3)А, где А - ширина раскрыва рупора (см. фиг.1, 2), A≈D. Следует отметить, что первый 5 и второй 6 дополнительные экраны электрически соединены с малыми узкими боковыми стенками рупора 11. При этом первый нижний экран 5 обеспечивает защиту заявляемой антенны от подключенного коаксиального кабеля 10. В задачу верхнго экрана 6 входит поддержание симметрии антенны.
На фиг.5, 6 приведены результаты измерения частотных характеристик заявляемой антенны для N=5: коэффициента стоячей волны и входного сопротивления в полосе часто 2,1 ГГц - 2,53 ГГц. Последние свидетельствуют о том, что во всей полосе частот КСВ не хуже 2. Входное сопротивление антенны в основном укладывается в круг равного КБВ 0,5.
С помощью программы CST MICROWAVE STUDIO //www.cst.com выполнен расчет диаграммы направленности (см. фиг.7а, б, с и 8а, б, с). На фиг.7а, б и с приведены диаграммы направленности антенны в результате сечения последних плоскостью {X, Y} на частоте 2,2 ГГц, 2,3 ГГц и 2,4 ГГц соответственно, которые хорошо согласуются с измеренными значениями. Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости сжата и на уровне 3 дБ от максимума составляет примерно 38°, 31° и 28°. На всех частотах наблюдается наклон максимума диаграммы направленности на угол β=7°. Результаты практических испытаний свидетельствуют о том, что значение угла β зависит от числа N каскадно соединенных отрезков микрополосковых линий и не зависит от удаление пластины 2 от задней стенке рупора 11 (экрана-рефлектора), значения частоты из состава заданной рабочей полосы и угла сечения рупора β (угла между плоскостями экрана-рефлектора и раскрыва антенны). Для удобства использования заявляемой антенны в составе антенной решетки целесообразно исполнение рупора 11 с углом сечения β, совпадающим с углом наклона максимума ее диаграммы направленности.
На фиг.8а, б и с приведены диаграммы направленности антенны в результате сечения последних плоскостью {X, Z} на частотае2,2 ГГц, 2,3 ГГц и 2,4 ГГц соответственно. Диаграммы направленности антенны на всех названных частотах примерно совпадают, их максимумы находятся под углом 90° к плоскости пластины 2, а сектор на уровне 3 дБ от максимума составил 60°.
Измерен коэффициент усиления заявляемой антенны, который составил 11,6 dBi - 11,8 dBi в рассматриваемой полосе частот.
Таким образом, заявляемая антенна реализует направленный прием сигналов и при этом обеспечивает большую по сравнению с устройством-прототипом широкополосность (при КСВ=2 относительная полоса пропускания заявляемой антенны составляет 20% вместо 19% у прототипа). В то же время рупорная коллинеарно-микрополосковая антенна значительно превосходит прототип по коэффициенту усиления (11,6 dBi вместо 5,6 dBi у прототипа).
В ряде практических случаев представляет практический интерес возможность компенсировать потери в коаксиальном кабеле 10. С этой целью на плоскости нижнего дополнительного экрана 5 дополнительно размещается встроенный усилитель, обеспечивающий коэффициент усиления 14 dBi. В качестве последнего может быть использован усилитель типа MGA-81563 фирмы AVAGO Technologies (см. www.avagotech.com).
r
-4
-3
Все детали антенны согласно настоящему изобретению имеют простую форму и сделаны из однородного и однотипного токопроводящего материала. Это позволяет реализовать изготовление их в массовом производстве легко и дешево, используя прессовку или пластмассовое литье с последующим покрытием. В качестве диэлектрической подложки 2 могут быть использованы диэлектрики с параметрами: ε=2,5-10 и tgδ=10-10. Толщина пластины 3 может составлять (0,1-0,01)λ.