ПЕЧАТНАЯ АНТЕННА
PRINTED ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны приемного устройства спутниковой навигации.
Печатные антенны, в том числе одиночные излучатели и решетки, нашли широкое применение в различных радиоэлектронных системах. К числу их достоинств относятся малые габариты, высокая технологичность и низкая стоимость, надежность и т.д. Известны простейшие печатные антенны, имеющие один диэлектрический слой, на поверхности которого нанесены металлические слои (Т.Haddrell, J P.Bickerstaff, M. Phocas. Realisable GPS Antennas for Integrated Hand Held products. ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division, 13-16 September 2005, Long Beach, CA). Как правило, диэлектрический и металлические слои имеют прямоугольную форму или форму круга. Связь такой антенны с внешними устройствами обеспечивается с помощью элемента возбуждения. Часто в качестве элемента возбуждения используют коаксиальный кабель, центральный проводник которого имеет контакт с одним металлическим слоем, а внешний проводник - с другим. Возможны также и другие элементы возбуждения, например технологичный элемент возбуждения полосковой линией через щель.
Известны также печатные антенны с круговой поляризацией. Они могут иметь форму круга или квадрата (Патент США №6326923) или близкую к ним. Точный выбор формы зависит от числа элементов возбуждения, которые используются для связи с внешней схемой. Если антенна имеет один элемент связи, то форма антенны, то есть форма диэлектрического и металлического слоев, близка к квадрату или кругу, но не совпадает с ними полностью. При использовании двух элементов связи антенна имеет строго круглую или квадратную форму. В более общем случае ее форма должна иметь симметрию поворота на 90 градусов.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой антенне является печатная антенна, содержащая два диэлектрических слоя, расположенных один над другим, и три металлических слоя (Патент США №5124733). Такая антенна обеспечивает работу в двух разнесенных диапазонах частот. Недостатком данной антенны являются большие габариты. Габариты печатной антенны приближенно определяются условиями резонанса в резонаторе, образованном двумя металлическими слоями и слоем диэлектрика, расположенным между ними. Антенна эффективно функционирует, когда рабочая частота близка к частоте резонанса. Условия, определяющие резонансную частоту антенны прямоугольной формы, имеют следующий вид:
0
где a - длина одной из сторон антенн, λ - длина волны в свободном пространстве, ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя. Из формулы (1) видно, что при фиксированной длине волны (частоте) размеры печатной антенны могут быть уменьшены только за счет увеличения диэлектрической проницаемости. Этот способ часто используется на практике, но платой за уменьшение размеров служит увеличение добротности антенны Q и, как следствие, сужение ее полосы рабочих частот.
Известно, что размеры печатной антенны могут быть уменьшены при использовании короткозамыкателей (S. Dey and R. Mittra, "Compact microstrip patch antenna", Microwave and Optical Technology Letters, 1996, N13, p.12-14). Размеры такой антенны вдвое меньше, чем в случае, рассмотренном выше. Они близки к четверти длины волны в среде с проницаемостью диэлектрического слоя. Недостатком такой антенны является невозможность работы на круговой поляризации излучаемых (принимаемых) волн.
Предлагаемое техническое решение нацелено на получение технического результата, выражающегося в уменьшении размеров печатной антенны, обеспечении приема и передачи волн с круговой поляризацией при сохранении полосы рабочих частот.
Эти задачи решаются за счет того, что в печатной антенне, содержащей нижний диэлектрический слой, верхний диэлектрический слой, нижний металлический слой, расположенный на нижней поверхности нижнего диэлектрического слоя, средний металлический слой, расположенный между верхним и нижним диэлектрическими слоями, и верхний металлический слой, расположенный на верхней поверхности верхнего диэлектрического слоя, и элементы возбуждения, введены четыре перемычки, соединяющие верхний металлический слой и нижний металлический слой без электрического контакта со средним металлическим слоем, а в верхнем металлическом слое выполнена крестообразная щель.
Возможны дополнительные варианты выполнения печатной антенны, в которых:
- нижний диэлектрический слой и верхний диэлектрический слой, а также нижний металлический слой, средний металлический слой и верхний металлический слой выполнены квадратной формы, а крестообразная щель имеет длину, равную стороне верхнего металлического слоя, перемычки расположены на диагоналях нижнего диэлектрического слоя на одинаковом расстоянии от его центра и выполнены в виде металлических проводников, соединяющих нижний металлический слой и верхний металлический слой без электрического контакта со средним металлическим слоем;
- печатная антенна содержит два элемента возбуждения, расположенные в нижнем диэлектрическом слое на одинаковом расстоянии от его центра, а угол между прямыми, соединяющими элементы возбуждения и центр нижнего диэлектрического слоя, равен 90 градусам;
- печатная антенна содержит четыре элемента возбуждения, расположенные в нижнем диэлектрическом слое на одинаковом расстоянии от его центра, причем элементы возбуждения установлены на ортогональных прямых, параллельных плоскости нижнего диэлектрического слоя и проходящих через его центр;
- печатная антенна содержит один элемент возбуждения, расположенный в нижнем диэлектрическом слое на его диагонали, а средний металлический слой выполнен в виде фигуры, имеющей две ортогональные плоскости симметрии, перпендикулярные нижнему и верхнему диэлектрическим слоям.
Один из возможных вариантов выполнения печатной антенны показан на фиг.1, 2. На фиг.1 показан общий вид антенны, содержащей нижний диэлектрический слой (1), верхний диэлектрический слой (2), нижний металлический слой (3), средний металлический слой (4) и верхний металлический слой (5), перемычки (6), крестообразную щель (7), а на фиг.2 показан нижний диэлектрический слой (1), нижний металлический слой (3), средний металлический слой (4), перемычки (6) и элемент (8) возбуждения. Все слои имеют квадратную форму.
Функционирование печатной антенны наиболее простым образом можно понять, рассматривая ее как объемный резонатор, имеющий ряд собственных колебаний, характеризующихся резонансными частотами, добротностями и распределением поля. Анализ собственных колебаний объемного резонатора проводится обычно без учета элемента возбуждения, который достаточно легко учесть позднее для расчета внешних параметров антенны.
Собственные колебания объемного резонатора, имеющего две плоскости симметрии, удобно рассматривать в рамках принципа симметрии. В соответствии с этим принципом анализ электромагнитного поля в структуре, имеющей две плоскости симметрии, можно свести к анализу четырех парциальных структур, показанных на фиг.3. Для простоты будем рассматривать случай, когда все слои имеют квадратную форму и одинаковые размеры. Пусть длина стороны квадрата равна a. Также рассмотрим случай одинаковых проницаемостей верхнего и нижнего диэлектрических слоев.
Каждая из парциальных структур является четвертью исходной структуры, полученной ее сечением по плоскостям симметрии. Парциальные структуры отличаются друг от друга видом граничных условий, установленных в плоскостях симметрии. Это могут быть условия равенства нулю тангенциальных компонент электрического поля:
или магнитного поля:
В первом случае говорят об электрической стенке, а во втором - о магнитной.
Рабочими колебаниями являются колебания 1 и 2. Они формируются путем переотражений Т-волн нижнего диэлектрического слоя (1) и верхнего диэлектрического слоя (2) с металлизированными поверхностями. Рассмотрим этот процесс подробнее на примере колебания 2. Т-волна бежит по нижнему диэлектрическому слою (1) от электрической стенки по направлению, указанному верхней стрелкой. Она добегает до перемычки (6) и переходит на верхний диэлектрический слой (2), при этом изменяя направление движения на обратное, как показано на фиг.4. Для передачи энергии Т-волны с нижнего диэлектрического слоя (1) на верхний диэлектрический слой (2) перемычки (6) не должны иметь электрический контакт со средним металлическим слоем (4). Далее Т-волна добегает до крестообразной щели (7), в середине которой располагается электрическая стенка. Щель с электрической стенкой пропускает волну, которая частично излучается через крестообразную щель (7) в свободное пространство. Излучение в свободное пространство эквивалентно потерям мощности, за счет которых добротность резонатора имеет конечное значение. Оставшаяся часть мощности отражается от крестообразной щели (7) и двигается в обратном направлении, проходя через перемычки (6) на нижний диэлектрический слой (1) и доходя до электрической стенки. Процесс затем повторяется периодически. Отметим, что переход со слоя на слой через щель с магнитной стенкой невозможен.
Таким образом, каждый парциальный резонатор (см. фиг.3 и 4) представляет собой отрезок линии передачи, который закорочен электрической стенкой на одном конце и имеет нагрузку типа холостой ход на другом конце. Эта нагрузка моделирует крестообразную щель (7). Резонанс в таком резонаторе наступает, когда длина линии равна четверти длины волны, в среде, заполняющей линию. Нетрудно увидеть, что условия резонанса в рассматриваемом случае записываются следующим образом:
Сравнивая формулы (1) и (4), легко увидеть, что предлагаемая антенна имеет вдвое меньшие размеры по сравнению с известной печатной антенной.
Колебания 1 и 2 отличаются друг от друга только структурой полей. Они тождественны за исключением поворота на 90 градусов. Этот поворот обусловлен тем, что стенки с одинаковыми граничными условиями также развернуты относительно друг друга на 90 градусов. Тождество полей обоих колебаний обусловливает их одинаковые резонансные частоты. Таким образом, мы можем сделать вывод, что в рассматриваемом резонаторе существуют два колебания с одинаковыми резонансными частотами, которые повернуты относительно друг друга на 90 градусов. Это создает возможность излучения (приема) волн с круговой поляризацией. Волна с круговой поляризацией - это суперпозиция двух линейно поляризованных волн. Причем эти волны повернуты в пространстве на 90 градусов и колеблются со сдвигом фазы также на 90 градусов. Если возбудить колебания 1 и 2 со сдвигом фаз 90 градусов, то они излучат в свободное пространство волну с круговой поляризацией, поскольку в пространстве они уже развернуты на нужный угол.
Колебание 3 не является рабочим. Движение Т-волн при таком размещении электрических стенок оказывается невозможным, так как каждая из них расположена вдоль направления распространения одной из Т-волн и, таким образом, препятствует ее движению. В линии передачи с продольной электрической стенкой формируются волноводные волны. Колебания на их основе имеют резонансные частоты, намного превышающие резонансные частоты рабочих колебаний 1 и 2.
Наконец, колебание 4. Оно также относится к числу нерабочих, поскольку оно не имеет щелей с электрической стенкой и волны не могут излучаться в свободное пространство, так как щель с магнитной стенкой не пропускает электромагнитное излучение.
Выше уже было сказано, что реализация режима круговой поляризации требует возбуждения двух рабочих колебаний со сдвигом фазы в 90 градусов. Такое возбуждение реализуется с помощью разных схем, отличающихся числом элементов возбуждения. Первая схема содержит один элемент (8) возбуждения. Она показана на фиг.5.
В этом случае средний металлический слой (4) выполнен в виде геометрической фигуры, имеющей две плоскости симметрии. В частном случае, изображенном на фиг.5, эта фигура может быть прямоугольником со сторонами a и b. Плоскости симметрии при пересечении образуют прямую, которая совпадает с осью симметрии нижнего диэлектрического слоя (1), который имеет форму квадрата. Эта ось проходит через центр квадрата и перпендикулярна его плоскости. Элемент (8) возбуждения расположен на диагонали нижнего диэлектрического слоя (1).
1
2
y
x
Отсутствие симметрии поворота на 90 градусов у среднего металлического слоя приводит к тому, что резонансные частоты колебаний 1 и 2 немного расстраиваются: f≠f. В силу того, что элемент (8) возбуждения расположен на диагонали нижнего диэлектрического слоя (1), он возбуждает оба колебания с близкой интенсивностью. Каждое колебание излучает волну с линейной поляризацией. В частности, колебание 1 излучает волну, имеющую в направлении оси 0z компоненту электрического поля E, а колебание 2 - компоненту E. Зависимость амплитуд этих компонент поля от частоты описывается следующими формулами:
где Q - добротность колебания. Из формул (5) видно, что если расстроить колебания на полосу пропускания контура:
0
то на центральной частоте f ортогональные компоненты поля имеют одинаковую амплитуду и сдвинуты по фазе на 90 градусов. Таким образом, достигается требуемый режим возбуждения рабочих колебаний, обеспечивающий излучение поля с круговой поляризацией.
Недостатком описанной выше схемы возбуждения является то, что выполнение условий для круговой поляризации вступает в противоречие с условием согласования антенны. На фиг.6 показана типичная зависимость модуля коэффициента отражения от частоты для колебаний, расстроенных в соответствии с формулами (6).
Из фиг.6 видно, что на центральной частоте антенна принципиально не может быть полностью согласована, что приводит к снижению ее коэффициента усиления. Таким образом, мы имеем дело с техническим противоречием между требованием согласования и требованием обеспечения круговой поляризации. Это противоречие не может быть устранено в рамках схемы питания с одним элементом возбуждения. Оно устраняется в схемах питания с несколькими элементами возбуждения. Наибольший положительный эффект дает схема с четырьмя элементами (8) возбуждения. Она показана на фиг.8б.
При использовании четырех элементов (8) возбуждения все диэлектрические и металлические слои выполняются квадратной формы. Напряжения на элементах (8) возбуждения 1-4 имеют одинаковую амплитуду и сдвинуты по фазе относительно друг друга на ±90 градусов. Знак сдвига фазы определяет тип круговой поляризации - правую или левую винтовую. Резонансные частоты рабочих колебаний в рассматриваемом случае одинаковы. Сдвиг фаз между ними достигается не за счет расстройки колебаний, а за счет сдвигов фаз питающих напряжений. При этом согласование антенны никак не связано с поляризацией излучения. Для того чтобы рабочие колебания возбуждались с одинаковой амплитудой, элементы (8) возбуждения должны располагаться на одинаковом расстоянии от центра нижнего диэлектрического слоя (1). Кроме того, рабочие колебания должны возбуждаться со сдвигом фаз на 90 градусов. Это достигается не только сдвигом фаз между напряжениями на элементах (8) возбуждения, но и их пространственным расположением на двух ортогональных прямых, проходящих через центр нижнего диэлектрического слоя (1).
Четырехэлементное питание требует использования специальных схем, обеспечивающих требуемые амплитудно-фазовые соотношения между возбуждающими напряжениями.
На фиг.8 показаны параллельная (фиг.8а) и последовательная (фиг.8б) схемы. Они содержат фазосдвигатели на 90 и 180 градусов, которые могут быть выполнены в виде отрезков линий передачи. Последовательная схема отличается большей компактностью. Однако при выполнении ее на основе отрезков линий передачи в ней возникают линии с сильно отличающимися волновыми сопротивлениями, которые достаточно трудно технологически реализовать. Параллельная схема лишена этого недостатка, но имеет существенно большие габариты. На фиг.9 показана топология печатной платы параллельной схемы питания в полосковом исполнении.
Четырехэлементные схемы питания представляют собой достаточно сложные устройства, которые могут вносить в СВЧ диапазоне существенные потери, уменьшающие коэффициент полезного действия антенны. Поэтому часто применяется двухэлементное возбуждение (см. фиг.7а). В этом случае элементы (8) возбуждения располагаются на одинаковом расстоянии от центра нижнего диэлектрического слоя (1). За счет этого достигается возбуждение рабочих колебаний с одинаковой амплитудой. Требуемый сдвиг фаз между напряженностями полей рабочих колебаний в 90 градусов обеспечивается сдвигом фаз напряжений на элементах (8) возбуждения, а также их пространственным расположением на прямых, проходящих через центр нижнего диэлектрического слоя (1), причем угол между этими прямыми равен 90 градусам.
Перемычки (6) представляют собой проводники, гальванически соединяющие нижний металлический слой (3) и верхний металлический слой (5). Перемычки (6) не должны иметь электрического контакта со средним металлическим слоем (4). В реальных конструкциях перемычки (6) удобно выполнять в виде металлизированных отверстий. Таким образом, вся антенна может быть изготовлена по технологии печатных плат, что существенно снижает ее стоимость.
Окончательный выбор параметров печатной антенны должен производиться с помощью современных средств инженерного проектирования СВЧ устройств, таких как электродинамическое моделирование и экспериментальные исследования. Электродинамическое моделирование может быть реализовано с помощью известных программ, таких как HFSS или Microwave Studio. На фиг.10 показаны результаты расчета коэффициента отражения от печатной антенны при ее питании двумя элементами возбуждения. Расчеты проводились в системе Microwave Studio для следующих параметров:
- все слои имеют квадратную форму, длина стороны квадрата равна 17 мм;
- толщина диэлектрических слоев - 4 мм;
- проницаемость диэлектрических слоев - 10;
- ширина крестообразной щели - 9 мм;
- толщины металлических слоев - 0.03 мм;
- ширина перемычки - 0.5 мм;
- размеры металлического экрана - 80×80 мм.
Из фиг.10 видно, что кривая коэффициента отражения имеет резонансный одногорбый характер. На фиг.11 показана трехмерная диаграмма направленности печатной антенны по мощности. Видно, что она имеет направленность, которая обусловлена присутствием металлического экрана, уменьшающего излучение в нижнее полупространство.