МНОГОЧАСТОТНАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА
MULTIFREQUENCY MICROSTRIP ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве приемной или передающей антенны аппаратуры связи, в частности аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем.
Известна многочастотная антенна, содержащая обтекатель, металлическое основание, расположенное в нижней части обтекателя, и антенный элемент, расположенный между обтекателем и металлическим основанием [CN 203013919, кл. H01Q 1/12; H01Q 1/42; H01Q 21/30; H01Q 9/04, 2013-06-19]. Антенный элемент содержит печатную плату, соединенную с металлическим основанием, верхнюю и нижнюю микрополосковые антенны, выполненные на верхней и нижней сторонах платы.
Многочастотная антенна позволяет принимать спутниковые навигационные сигналы в нескольких частотных диапазонах одновременно, имея при этом низкое значение коэффициента стоячей волны и коэффициента эллиптичности и высокое усиление при низких углах возвышения.
Эта конструкция антенны обладает малыми габаритными размерами, высокой устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям, высокой надежностью.
Недостатком известной антенны является то, что в ее конструкции использовано несколько микрополосковых антенных элементов, расположенных в различных плоскостях, что существенно усложняет конструкцию и затрудняет настройку антенны, а также увеличивает ее габаритные размеры.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является многочастотная микрополосковая антенна (МПА), в которой может быть реализовано большое количество частот и сами частоты могут устанавливаться произвольно [WO 2007060782, кл. Н01Р 5/02; H01Q 13/08; H01Q 5/10, опубл. 2007-05-31]. Многочастотная МПА содержит в качестве антенных элементов кольцевые антенные элементы с внешними формами, симметричными относительно центра МПА, а также планарный антенный элемент, сформированный во внутреннем кольцевом антенном элементе и имеющий внешние формы, также симметричные относительно центра МПА. МПА также содержит средство питания антенных элементов: Г-образный штырь связи для питания кольцевых антенных элементов и центрального антенного элемента за счет электромагнитной связи горизонтальной части штыря сложной формы с вышеперечисленными антенными элементами.
Недостатком известного технического решения является то, что в МПА антенные элементы и горизонтальная часть зонда расположены в разных плоскостях. Как следствие, подложка МПА должна состоять из трех слоев: на верхнем слое формируются антенные элементы, в промежуточном - горизонтальная часть штыря зонда, соединенная перемычкой с выходным разъемом МПА, а на нижнем слое формируется земляной экран. Такая многослойная компоновка усложняет конструкцию и снижает технологичность производства антенны.
Технической задачей, решаемой изобретением, является упрощение конструкции и повышение технологичности производства малогабаритной микрополосковой антенны, работающей в широкополосном и двухдиапазонном режимах.
Указанный результат достигается тем, что в многочастотной микрополосковой антенне, содержащей экран, расположенную на нем диэлектрическую подложку, на верхней поверхности которой выполнены имеющие симметричные внешние формы относительно центра антенны кольцевой антенный элемент и планарный антенный элемент, сформированный внутри кольцевого антенного элемента, и средство питания, планарный антенный элемент выполнен с двумя выступами прямоугольной формы, не пересекающимися с кольцевым антенным элементом, кольцевой антенный элемент имеет два разрыва, расположенных ортогонально выступам, средство питания выполнено в виде коаксиального зонда, который имеет электрический контакт с топологией планарного антенного элемента на удалении 0,38-0,42 (W/2), где W - размер топологии планарного антенного элемента, от его геометрического центра на оси, повернутой относительно одного из выступов на угол, равный 45° по или против часовой стрелки, а ширина разрывов находится в пределах от 0,3w до 1,5w, где w - ширина кольцевого антенного элемента.
Целесообразно кольцевой и планарный антенные элементы выполнить квадратной или круглой формы.
На фиг. 1 представлен поперечный разрез микрополосковой антенны.
На фиг. 2 - топология микрополосковой антенны с кольцевым и планарным антенными элементами квадратной формы.
11
На фиг. 3 - график параметра S антенны, настроенной для работы в расширенном диапазоне частот L1.
На фиг. 4 - график зависимости коэффициента эллиптичности поля излучения в максимуме ДН от частоты.
На фиг. 5 - диаграмма направленности антенны на частотах 1430 МГц для варианта работы антенны в расширенном диапазоне частот L1.
На фиг. 6 - диаграмма направленности антенны на частотах 1595 МГц для варианта работы антенны в расширенном диапазоне частот L1.
На фиг. 7 - топология микрополосковой антенны с кольцевым и планарным антенными элементами круглой формы.
11
На фиг. 8 - график параметра S антенны, настроенной для работы в двух диапазонах частот L1 и L2.
На фиг. 9 - диаграмма направленности антенны на частоте 1225 МГц для варианта работы антенны в двух раздельных диапазонах частот L1 и L2.
На фиг. 10 - диаграмма направленности антенны на частоте 1595 МГц для варианта работы антенны в двух раздельных диапазонах частот L1 и L2.
Многочастотная микрополосковая антенна (фиг. 1-2, 7) установлена на плоскости экрана 1 и содержит диэлектрическую подложку 2, на верхней поверхности которой выполнены симметричные относительно центра антенны кольцевой антенный элемент 3 и планарный антенный элемент 4, сформированный внутри кольцевого антенного элемента 3, и средство питания. Кольцевой и планарный антенные элементы выполнены квадратной или круглой формы (фиг. 2, 7).
Планарный антенный элемент 4 снабжен двумя выступами 5 прямоугольной формы, не пересекающимися с кольцевым антенным элементом 3.
Кольцевой антенный элемент 3 имеет два разрыва 6, которые расположены ортогонально к выступам 5.
Средство питания выполнено в виде коаксиального зонда 7, который имеет электрический контакт центральной жилы (штыря) 8 с топологией планарного антенного элемента 4 на удалении 0,38-0,42 (W/2), где W - размер топологии планарного антенного элемента 4 (ширина для планарного антенного элемента 4 квадратной формы и диаметр для планарного антенного элемента 4 круглой формы), от его геометрического центра на оси, повернутой относительно одного из выступов 5 на угол, равный 45° по или против часовой стрелки.
Предложенная антенна является антенной резонаторного типа, в которой излучение электромагнитного поля происходит торцами стенок полости, образованной верхней плоскостью антенного элемента с нанесенной на нее топологией и плоскостью экрана 1. Расширение полосы частот микрополосковой антенны, как и ее работа в двухчастотном режиме, достигается добавлением кольцевого элемента 3 вокруг планарного антенного элемента 4. Место подключения штыря 8 к топологии планарного антенного элемента 4 выбирается из условия получения входного сопротивления микрополосковой антенны, равного 50 Ом на центральной частоте диапазона. Расстояние места подключения штыря 8 от центра МПА составляет порядка 0,38-0,42 (W/2), где W - характерный размер топологии планарного антенного элемента.
Кольцевой антенный элемент 3 с симметричными прорезями 6 представляет собой пассивный элемент, связанный посредством емкостных зазоров, существующих между выступами планарного антенного элемента 5 и сегментами кольцевого антенного элемента 3, с планарным антенным элементом 4, что приводит к появлению дополнительного резонанса, расположенного ниже главного резонанса по частоте. При сильной связи кольцевого антенного элемента 3 с планарным антенным элементом 4 реализуется широкодиапазонный режим работы микрополосковой антенны, а при слабой связи - двухдиапазонный режим работы. Ширина Δ разрыва 6 кольцевого антенного элемента 3, совместно с размерами кольцевого антенного элемента 3, определяет положение дополнительного резонанса. Эта ширина может изменяться в диапазоне от 0,3w до 1,5w, где w - ширина кольцевого антенного элемента 3. Вне вышеобозначенных пределов наступает рассогласование заявляемой многочастотной микрополосковой антенны с 50-омным коаксиальным зондом 7.
01
11
Для получения круговой поляризации поля излучения применяется способ суперпозиции двух вырожденных ортогональных типов колебаний (E для МПА квадратной формы и Е для МПА круглой формы) равной амплитуды с относительным сдвигом по фазе в 90°.
В предложенной антенне равенство амплитуд достигается использованием печатных проводников симметричной (квадратной или круглой) формы, а относительный фазовый сдвиг в 90° достигается за счет малого частотного сдвига резонансных частот возбуждаемых ортогональных мод, который реализуется с помощью выступов 5 в планарном антенном элементе 3 (в результате чего эффективные размеры антенны для двух мод становятся немного отличными).
Таким образом, выступы в заявляемой микрополосковой антенне играют двойную роль: осуществляют связь планарного антенного элемента 4 с кольцевым антенным элементом 3 и «закручивают» поляризацию поля излучения всей МПА. Для получения правополяризованного поля излучения ближайший к точке питания выступ 5 должен располагаться под углом 45° по часовой стрелке от нее, а для получения левополяризованного поля он должен располагаться под углом 45° против часовой стрелки от точки питания.
Для достижения обоих эффектов в заданной полосе частот необходимо проводить оптимизацию параметров МПА путем подбора: толщины подложки 2, диэлектрической проницаемости материала подложки и ширины выступов 5.
ц
ц
ц
ц
в
в
в
в
В результате проведенной численной оптимизации был выявлен возможный диапазон габаритов МПА для двух вариантов ее работы: в широкополосном режиме и в двухдиапазонном режиме. Для широкополосного режима работы в относительном диапазоне частот до 12% размеры МПА не превышают 0,16λ×0,16λ×0,03λ, где λ - центральная частота рабочего диапазона частот, а для работы в двухдиапазонном режиме с разносом центральных частот от 1,1 до 1,3 раза размеры МПА не превышают 0,22λ×0,22λ×0,03λ, где λ - центральная частота верхнего диапазона частот. При этом для крайнего предела разноса частот в 1,3 раза в нижнем рабочем диапазоне частот поляризация поля излучения вырождается в линейную вертикальную.