РЕЗОНАНСНАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ
RESONANT MICROSTRIP ANTENNA (VERSIONS) AND METHOD OF ITS EXCITATION

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, в частности к микрополосковым антеннам, для бортовой и наземной радиотехнической аппаратуры.
010
Резонансные микрополосковые антенны широко применяют в различных радиотехнических устройствах. Это обусловлено как конструктивными преимуществами этого типа антенн - особенно малой высотой микрополосковых антенн (МПА) по отношению к длине волны, так и достижимыми характеристиками излучения. Резонансные МПА имеют широкую диаграмму направленности (ДН) с максимумом ортогонально плоскости антенны и экрана при возбуждении основной моды ТМ. ДН резонансных МПА близка к изотропной в одном полупространстве.
Конструкция резонансной МПА представляет собой плоскую проводящую пластину (излучающую пластину) той или иной формы, размещенную на диэлектрическом слое - подложке, ограниченном снизу экраном - проводящей плоскостью, больших, чем у излучающей пластины, размеров. Форма излучающей пластины может быть круглой, прямоугольной, эллиптической, треугольной и др. Относительная рабочая полоса антенны весьма узкая (до нескольких %) и зависит от диэлектрической проницаемости подложки и ее высоты.
Существует несколько основных техник возбуждения (запитки) резонансных МПА [Garg, R., Bhartia P., Bahl I. Ittiboon A. Microstrip antenna design handbook, Artech House, 2001. 845 p.]: контактное коаксиальное возбуждение штырем-зондом, контактное микрополосковое (копланарное) возбуждение, неконтактное микрополосковое возбуждение, неконтактное возбуждение апертурой (щелью), неконтактное копланарное возбуждение. Термин «контактное возбуждение» в данной классификации означает гальваническую связь по постоянному току между верхней пластиной МПА и центральным проводником применяемой линии, «неконтактное» - индуктивную или емкостную связь.
0
0
Исторически [James, J.R. Handbook of Microstrip Antennas / J.R. James and P.S. Hall (eds.) // IEE Electromagnetic Waves Series, 1989. - 1312 p.] самым первым способом возбуждения резонансной МПА является коаксиальное возбуждение штырем-зондом. Преимуществами такого способа возбуждения являются конструктивная простота достижения согласования МПА с линией возбуждения, технологическая применимость данного способа как для тонких излучающих пластин, так и для толстых. Основные недостатки - наличие паразитного излучения штыря, приводящее к искажению ДН и ухудшению поляризационных характеристик, а также неприменимость данного способа для относительно толстых диэлектрических подложек (более 0,05λ, где λ - длина волны излучения МПА) по причине вносимой индуктивности штыря в импеданс МПА, которая ограничивает относительную рабочую полосу частот антенны и требует дополнительных конструктивных элементов компенсации [Hall, P.S. Probe compensation in thick microstrip patches, Electon. Letters. Vol. 23, 1987, pp. 606-607].
В работах [D.M. Pozar Microstrip antennas Proc. IEEE, vol. 80, 1992, pp. 79-91, R.E. Munson Conformal microstrip antennas and microstrip phased arrays IEEE Trans. Antennas and propagation, vol. AP-22, pp. 74-78, Jan, 1974] предложено контактное микрополосковое или копланарное возбуждение МПА, при котором центральный проводник линии (микрополосок) контактно присоединяется к одному из излучающих ребер пластины МПА. Преимуществами такого метода возбуждения являются конструктивная простота изготовления МПА методом технологии печатных плат, возможность создания параллельных или последовательных архитектур возбуждения антенных решеток. Главным недостатком данного метода является паразитное излучение возбуждающих линий, приводящее к искажению ДН и ухудшению поляризационных характеристик. Возможно неконтактное возбуждение МПА микрополосковой линией, расположенной на одной плоскости с излучающей пластиной [James, Gupta]. Однако такой метод также страдает недостатком паразитного излучения линии.
nd
В работах [Pozar D.M., В. Kaufmann Increasing the bandwidth of microstrip antenna by proximity coupling Electron. Letters, vol. 23, 1987, pp. 368-369, Gupta K.C., at al., Microstrip lines and slot lines, 2 ed., Artech House, Norwood, MA, 1996] патентах США 7589676 B2 от 15.09.2009, США 6982671 В2 от 03.01.2006 предложены методы неконтактного возбуждения резонансных МПА с применением копланарных и микрополосковых линий, при котором возбуждающая линия расположена под подложкой МПА, а связь линии с МПА осуществляется индуктивным способом. Данный способ имеет существенное преимущество - исключается паразитное излучение возбуждающих линий. Однако к недостаткам данного способа можно отнести конструктивную сложность такой МПА и сложность изготовления с применением технологий многослойных печатных плат. Для толстых излучающих пластин МПА, изготавливаемых без использования технологий печатных плат, применение данного способа невозможно.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является антенна и способ ее возбуждения, описанные в статье [Pozar D.M. А microstrip antenna aperture coupled to a microstrip line, Electronics Letters, vol. 21, pp. 49-50, Jan 1985]. В работе предложен метод неконтактного возбуждения резонансных МПА с помощью апертуры (щели), расположенной в экране МПА. При этом сама щель возбуждается микрополосковой линией, экраном которой является экран МПА. Таким образом щель прорезана в общем экране микрополосковой возбуждающей линии и МПА. Достоинствами такого способа возбуждения являются: 1) широкая относительная полоса антенна около 21%, 2) отсутствие паразитного излучения подводящей микрополосковой линии, которая физически отделена от МПА экраном.
Недостатком работы является использование второй платы микрополосковой линии, что приводит к следующим существенным недостаткам: 1) при разработке бортовой МПА необходимо усложнять конструкцию МПА с апертурным возбуждением с целью экранировки излучения возбуждающей микрополосковой линии в нижнее (по отношению к МПА) полупространство. То есть паразитное излучения микрополосковой линии действительно отсутствует в зоне излучения МПА, но присутствует в нижнем по отношению к зоне излучения МПА полупространстве. Тогда при расположении МПА на проводящей поверхности паразитное излучение в нижнее полупространство необходимо исключать, принимая дополнительные меры и усложняя конструкцию, 2) конструкция технологически сложна в изготовлении, особенно, с применением толстых излучающих пластин МПА, то есть без применения технологии печатных плат. Изготовление МПА возможно только по технологии многослойных печатных плат, что ограничивает применение толстых диэлектрических подложек, а как следствие является ограничением на достижимую относительную частотную полосу МПА. При этом применение технологии печатных плат непригодно для антенн бортового и транспортного использования в виду отсутствия достаточной прочности к механическим и климатическим воздействующим факторам.
Задачей изобретения является создание резонансной МПА, при возбуждении которой исключается паразитное излучение подводящих-возбуждающих цепей, приводящее к асимметрии диаграммы направленности и ухудшению поляризационных характеристик.
Технический результат заключается в достижении симметричной, неискаженной ДН в главных плоскостях резонансной микрополосковой антенны, улучшении ее поляризационных характеристик, а также повышении технологичности ее изготовления.
Технический результат достигается тем, что в способе возбуждения резонансной микрополосковой антенны основную моду резонансной микрополосковой антенны возбуждают посредством паза - несимметричной щели, выполненного в излучающей пластине и направленного в центр излучающей пластины, который в свою очередь возбуждают короткозамкнутым штырем-зондом.
Кроме того, в качестве штыря-зонда используют центральный проводник коаксиальной линии, который соединяют с одной из сторон паза, при этом экран коаксиальной линии гальванически соединяют с противоположной стороной паза.
Кроме того, в качестве штыря-зонда используют центральный проводник полосковой линии, который соединяют с одной из сторон паза, при этом экраном полосковой линии является излучающая пластина.
d
d
Технический результат достигается тем, что в резонансной микрополосковой антенне, содержащей излучающую металлическую пластину, размещенную на диэлектрическом слое, ограниченном снизу металлическим экраном больших, чем у излучающей пластины размеров, в излучающей пластине круглой формы выполнен радиально расположенный паз, разомкнутый со стороны края излучающей пластины, к которому от экрана микрополосковой антенны через центр антенны и вдоль излучающей пластины проложена и соединена гальванически с экраном и излучающей пластиной коаксиальная линия. Центральный проводник коаксиальной линии пересекает паз и гальванически соединен с одной стороной паза, а экран коаксиальной линии гальванически соединен с противоположной стороной паза. Радиус R излучающей пластины определен условием: R/λ=0.2…0.3, где λ - длина волны с учетом диэлектрической проницаемости материала подложки, а длина паза определена условием: L=(0.4…1)⋅R.
d
d
Технический результат достигается тем, что в резонансной микрополосковой антенне, содержащей излучающую металлическую пластину, размещенную на диэлектрическом слое, ограниченном снизу металлическим экраном больших, чем у излучающей пластины размеров, в излучающей пластине прямоугольной формы выполнен паз, направленный в центр излучающей пластины, разомкнутый со стороны края излучающей пластины, к которому от экрана микрополосковой антенны через центр антенны и вдоль излучающей пластины проложена и соединена гальванически с экраном и излучающей пластиной коаксиальная линия. Центральный проводник коаксиальной линии пересекает паз и гальванически соединен с одной стороной паза, а экран коаксиальной линии гальванически соединен с противоположной стороной паза. Длина стороны А излучающей пластины, перпендикулярной пазу, определена условием: A/λ=0.4…0.6, где λ - длина волны с учетом диэлектрической проницаемости материала подложки, а длина паза определена условием: L=(0.2…0.5)⋅А.
d
d
Технический результат достигается тем, что в резонансной микрополосковой антенне, содержащей излучающую металлическую пластину, размещенную на диэлектрическом слое, ограниченном снизу металлическим экраном больших, чем у излучающей пластины размеров, в излучающей пластине круглой формы выполнен радиально расположенный паз, разомкнутый со стороны края излучающей пластины, к которому от экрана резонансной микрополосковой антенны через центр антенны и до излучающей пластины проложена и соединена гальванически с экраном и излучающей пластиной коаксиальная линия, к которой подключена полосковая линия, центральный проводник которой пересекает паз и гальванически соединен с одной стороной паза, а экраном полосковой линии является излучающая пластина. Радиус R излучающей пластины определен условием: R/λ=0.2…0.3, где λ - длина волны с учетом диэлектрической проницаемости материала подложки, а длина паза определена условием: L=(0.4…1)⋅R.
d
d
Технический результат достигается тем, что в резонансной микрополосковой антенне, содержащей излучающую металлическую пластину, размещенную на диэлектрическом слое, ограниченном снизу металлическим экраном больших, чем у излучающей пластины размеров, в излучающей пластине прямоугольной формы выполнен паз, направленный в центр излучающей пластины, разомкнутый со стороны края излучающей пластины, к которому от экрана резонансной микрополосковой антенны через центр антенны и до излучающей пластины проложена и соединена гальванически с экраном и излучающей пластиной коаксиальная линия, к которой подключена колосковая линия, центральный проводник которой пересекает паз и гальванически соединен с одной стороной паза, а экраном полосковой линии является излучающая пластина. Длина стороны А излучающей пластины, перпендикулярной пазу, определена условием: А/λ=0.4…0.6, где λ - длина волны с учетом диэлектрической проницаемости материала подложки, а длина паза определена условием: L=(0.2…0.5)⋅А.
Предполагаемое техническое решение поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 приведено изображение конструкции, предлагаемой резонансной микрополосковой антенны с пазовым возбуждением с излучающей пластиной круглой формы, при возбуждении паза коаксиальной линией.
На фиг. 2 изображен вид сверху антенны, приведенной на фиг. 1.
На фиг. 3 приведено изображение конструкции, предлагаемой резонансной микрополосковой антенны с пазовым возбуждением с излучающей пластиной прямоугольной формы, при возбуждении паза коаксиальной линией.
На фиг. 4 изображен вид сверху антенны, приведенной на фиг. 3.
На фиг. 5 приведено изображение конструкции, предлагаемой резонансной микрополосковой антенны с пазовым возбуждением с излучающей пластиной круглой формы, при возбуждении паза полосковой линией.
На фиг. 6 изображен вид сверху антенны, приведенной на фиг. 5.
На фиг. 7 приведено изображение конструкции, предлагаемой резонансной микрополосковой антенны с пазовым возбуждением с излучающей пластиной прямоугольной формы, при возбуждении паза полосковой линией.
На фиг. 8 изображен вид сверху антенны, приведенной на фиг. 7.
На фиг. 9 приведена измеренная частотная зависимость КСВн входа изготовленной резонансной МПА с пазовым возбуждением.
На фиг. 10 приведена измеренная частотная зависимость КСВн входа изготовленной резонансной МПА с контактным штыревым возбуждением.
На фиг. 11 приведены измеренные ДН изготовленных антенн в Н-плоскости на центральной частоте рабочего диапазона, где а - ДН при пазовом возбуждении антенны; b - ДН при контактном штыревом возбуждении антенны.
На фиг. 12 приведены измеренные ДН изготовленных антенн, в Е-плоскости на центральной частоте рабочего диапазона, где а - ДН при пазовом возбуждении антенны; b - ДН при контактном штыревом возбуждении антенны.
На фигурах 1, 2, 3, 4 приняты следующие обозначения:
1 - металлический экран;
2 - диэлектрическая подложка;
3 - излучающая металлическая пластина;
4 - паз;
5 - центральный проводник коаксиальной линии;
6 - коаксиальная линия.
На фигурах 5, 6, 7, 8 приняты обозначения:
1 - металлический экран;
2 - диэлектрическая подложка;
3 - излучающая металлическая пластина;
4 - паз;
5 - центральный проводник полосковой линии;
6 - коаксиальная линия;
7 - перемычка;
8 - симметричная полосковая линия;
9 - диэлектрическая подложка полосковой линии;
10 - углубление в излучающей пластине.
Конструкции резонансной МПА, показанная на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, содержит металлический экран 1, расположенную на нем диэлектрическую подложку 2, излучающую пластину 3, расположенную на диэлектрической подложке 2, паз (несимметричную щель) 4, выполненный в излучающей пластине, к которому через центр всей антенны подведена коаксиальная линия 6, центральный проводник которой 5 пересекает паз и гальванически соединен с одной стороной паза (запаивается на стороне паза), противоположной стороне подведения коаксиальной линии 6. Экран коаксиальной линии гальванически соединен с излучающей пластиной 3 и экраном 1.
Вариант конструкции, приведенной на фиг. 3, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8, содержит металлический экран 1, расположенную на нем диэлектрическую подложку 2, излучающую пластину 3, расположенную на диэлектрической подложке 2, паз (несимметричную щель) 4, выполненный в излучающей пластине. Через центр МПА проходит коаксиальная линия 6, центральный проводник которой гальванически соединен перемычкой 7 с центральным проводником 5 симметричной полосковой линии 8. Экран коаксиальной линии гальванически соединен с экраном 1 и излучающей пластиной 3. Вся конструкция симметричной полосковой линии размещена в углублении 10, сделанном в излучающей пластине 3 и накрывается проводящей крышкой (на фигурах не показана), гальванически соединенной с излучающей пластиной. Центральный проводник симметричной полосковой линии 5 расположен на диэлектрической подложке 9, пересекает паз и гальванически соединен со стороной паза 4, противоположной стороне подведения полосковой линии 8. Экран полосковой линии образован самой излучающей пластиной 3.
Таким образом, отрезок центрального проводника коаксиальной линии, пересекающий паз, представляет собой короткозамкнутый штырь-зонд, возбуждающий несимметричную щель - паз. Коаксиальная линия подводится от экрана МПА через центр антенны и далее прокладывается вдоль излучающей пластины до разомкнутого края паза. При этом экран коаксиальной линии имеет гальваническую связь с излучающей пластиной МПА и гальваническую связь с экраном МПА.
В случае возбуждения несимметричной щели - паза симметричной полосковой линией через центр антенны подводится коаксиальная линия, центральный проводник которой гальванически соединяется с центральным проводником полосковой линии, а экраном является излучающая пластина МПА.
d
d
d
В предлагаемых вариантах МПА излучающая пластина 3 имеет форму круга радиусом R или прямоугольника со стороной А, перпендикулярной пазу. Относительные размеры антенны определяются радиусом излучающей пластины R/λ=0.2…0.3, при этом длина паза определяется условием L=(0.4…1)⋅R или длиной А стороны прямоугольника, перпендикулярной пазу, А/λ=0.4…0.6, при этом длина паза определяется условием: L=(0.2…0.5)⋅А, где λ - длина волны с учетом диэлектрической проницаемости материала подложки. Заметим, что излучающая пластина 3 может быть различной формы.
Принцип работы антенны, приведенной на фигурах 1, 2, 3, 4.
110
100
Антенна возбуждается пазом 4, к которому подведена коаксиальная линия 6, центральный проводник пересекает паз и гальванически соединен с одной стороной паза, а на противоположной стороне паза находится экран коаксиальной линии. Таким образом в резонансной МПА осуществляется индуктивное возбуждение поля основной моды резонансной МПА, согласно резонаторной модели, ТМ (в случае излучающей пластины круглой формы и моды TM в случае излучающей пластины прямоугольной формы) магнитным полем паза 4. Поскольку в предлагаемой геометрии резонансной МПА отсутствуют элементы, приводящие к появлению токов, текущих нормально поверхности подложки 2 и экрана 1, то отсутствует искажение ДН основной моды МПА.
Принцип работы антенн, приведенных на фигурах 5, 6, 7, 8, аналогичен принципу работы антенн, описанному выше.
Возможность промышленной реализации и практической возможности достижения требуемого технического результата при использовании изобретения иллюстрируется следующим примером.
Была изготовлена резонансная микрополосковая антенна с пазовым возбуждением с излучающей пластиной круглой формы с использованием фторопласта в качестве диэлектрика подложки, имеющего относительную диэлектрическую проницаемость примерно 2,2. Толщина диэлектрической подложки 2 равна 4 мм, толщина излучающей металлической (алюминий) пластины 3 равна 4 мм. Основные размеры антенны: размеры диэлектрической подложки ∅120 мм × 4 мм, размеры излучающей пластины ∅120 мм × 4 мм. Излучающая металлическая пластина круглой формы 3 лежит на диэлектрической подложке 2 и крепится к ней и к экрану полиамидными винтами. Через центр антенны проведена коаксиальная линия с волновым импедансом 50 Ом для возбуждения полосковой линии, расположенной в углублении излучающей пластины.
Для сравнения была изготовлена резонансная МПА с контактным штыревым возбуждение. Размеры резонансной МПА с штыревым возбуждением аналогичны размерам антенны с пазовым возбуждением. Для возбуждения всей антенны использовалась коаксиальная линия с волновым импедансом 50 Ом.
На фиг. 9 представлена измеренная частотная зависимость КСВн изготовленной антенны с пазовым возбуждением. Рабочая полоса антенны с пазовым возбуждением по уровню КСВн равному 2 составляет 995.2…1012 МГц. На фиг. 10 представлена измеренная частотная зависимость КСВн изготовленной антенны со штыревым возбуждением. Рабочая полоса антенны с штыревым возбуждением по уровню КСВн, равному 2, составляет 1002.3…1026.4 МГц. Наблюдаемое смещение частот вниз у антенны с пазовым возбуждением объясняется наличием возбуждающего паза в излучающей пластине, которое приводит к увеличению пути тока на нижней поверхности излучающей пластины и к смещению рабочих частот вниз.
На фиг. 11, 12 представлены измеренные ДН антенн на центральных частотах рабочих диапазонов: а - антенны с пазовым возбуждением, б - антенны со штыревым возбуждением. Измерения ДН проводились в дальней зоне. На фиг. 11 представлена ДН антенн в Н - плоскости. Как видно из фиг. 11, обе антенны имеет широкую ДН с максимумом ортогонально плоскости антенны и экрана, ДН обеих антенн примерно симметричные. При угле -85° антенна с пазовым возбуждением имеет КУ(-85°), равный -7,5 дВ, при угле 85° КУ(85°) равен -7,6 дБ, то есть неравномерность ДН, которую можно оценить как разность указанных значений КУ составляет 0,1 дБ. Неравномерность ДН антенны с штыревым возбуждением составила КУ(85°)-КУ(-85°)=0,7дБ.
На фиг. 12 представлена ДН антенн в Е - плоскости. Как видно из фиг. 12, обе антенны имеют широкую ДН с максимумом ортогонально плоскости антенны и экрана. При угле -85° антенна с пазовым возбуждением имеет КУ(-85°) равный -9,6 дБ, при угле 85° КУ(85°) равен -9,5 дБ, то есть неравномерность ДН, которую можно оценить как разность указанных значений КУ составляет 0,1 дБ. Неравномерность ДН антенны со штыревым возбуждением составила КУ(85°)-КУ(-85°)=1,7 дБ. Рассматривая более узкий сектор углов (-45°,45°) имеем неравномерность ДН антенны с пазовым возбуждением КУ(45°)-КУ(-45°)=0,2 дБ, неравномерность ДН антенны с штыревым возбуждением КУ(45°)-КУ(-45°)=1,0 дБ.
Таким образом неравномерность ДН антенны с пазовым возбуждением секторе углов (-85°,85°) не превышает значения 0,2 дБ, а антенны со штыревым возбуждением более 1,0 дБ.
Применение паза в качестве возбуждающего элемента антенны исключает появление радиальных диполей, появление которых связанно с применением радиальных возбуждающих штырей, паразитное возбуждение которых искажает ДН антенны и ухудшает поляризационные характеристики. Предлагаемый способ возбуждения резонансной микрополосковой антенны пазом, а также варианты конструкции резонансных МПА, обеспечивают исключение искажения ДН паразитным излучением системы возбуждения. При этом размещение паза непосредственно на излучающей пластине делает всю конструкцию антенны простой и технологичной в изготовлении.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- создание резонансной микрополосковой антенны, имеющей симметричную, неискаженную ДН;
- предлагаемая конструкция резонансной микрополосковой антенны является технологически простой в изготовлении.