ПЛАНАРНАЯ АНТЕННА
PLANAR ANTENNA

Данное изобретение относится к области радиотехники, в частности к сверхширокополосным печатным антеннам СВЧ диапазона, и может найти применение в системах связи, в радиодефектоскопии, в задачах радиомониторинга, в задачах электромагнитной совместимости (ЭМС) радиотехнических систем, в составе фазированных антенных решеток, в метрологии, в медицине для электромагнитных аппликаторов и задачах гипертермии.
Известна широкополосная антенна (Патент RU №2298268, МПК Н01Q 9/00, опубл. 27.04.2007 г.), выполненная на основе печатной антиподальной щелевой линии (АПЩЛ). Апертура антенны образована отрезком АПЩЛ без перекрытия и содержит две одинаковые металлические пластины, расположенные на разных сторонах диэлектрической подложки, одна из которых сигнальная, другая земляная. В излучающей части антенны металлические пластины АПЩЛ выполнены экспоненциально расширяющимися по внутренней боковой кромке от области нулевого перекрытия АПЩЛ до области максимального раскрыва апертуры, при этом в области апертуры антенны по внутренней боковой кромке сигнальной и земляной металлических пластин от области нулевого перекрытия до области максимального раскрыва апертуры антенны установлены перпендикулярно плоскости диэлектрической подложки металлические излучающие поверхности. Сигнальный проводник отрезка несимметричной полосковой линии торцом гальванически подключен к внутренней боковой кромке сигнальной металлической пластины АПЩЛ в области нулевого перекрытия, а его земляная плоскость размещена с земляной металлической пластиной на одной поверхности диэлектрической подложки в области нулевого перекрытия АПЩЛ и гальванически соединена с торцевой боковой кромкой земляной металлической пластины.
Недостатком известного технического решения является невозможность, наравне с излучением и приемом поперечных электромагнитных волн, формировать режим излучения и приема продольных электромагнитных волн.
Наиболее близким техническим решением-прототипом является приемо-передающая планарная антенна поперечных электромагнитных волн (Патент DE №3941125, МПК Н01Q 13/10, опубл. 20.06.1991 г.), содержащая две идентичные диэлектрические подложки, одной поверхностью установленные одна на другую, и два идентичных, закороченных на одном конце, отрезка симметричной щелевой линии (СЩЛ), расположенных на внешней поверхности одной и другой диэлектрических подложек соответственно, при этом на поверхности совмещения между одной и другой диэлектрическими подложками расположен отрезок сигнальной полосковой линии, для которого земляными поверхностями являются металлические пластины двух отрезков однородной симметричной щелевой линии (ОСЩЛ), образуя тем самым отрезок симметричной экранированной полосковой линии, причем один конец сигнального полоскового проводника пересекает отрезок одной и другой СЩЛ под прямым углом, а другой конец подключается к канализирующей линии передачи. Апертура антенны образована отрезком расширяющейся СЩЛ в направлении от области соединения с отрезком ОСЩЛ к области максимального раскрыва апертуры антенны, а образующие ее идентичные металлические пластины выполнены суживающимися по внутренней боковой кромке от области начала расширения СЩЛ до области максимального раскрыва апертуры антенны, при этом продольная ось симметрии отрезка ОСЩЛ и продольная ось симметрии отрезка расширяющейся СЩЛ лежат на одной оси, которая параллельна продольной оси антенны, расположенной на поверхности совмещения одной и другой диэлектрических подложек, при этом оси симметрии отрезков ОСЩЛ и СЩЛ и ось симметрии антенны расположены в одной плоскости, перпендикулярной диэлектрическим подложкам.
Недостатками известного технического решения является невозможность формировать режим излучения и приема продольных электромагнитных волн, а также одновременно одной апертурой независимо излучать и принимать раздельно, по развязанным между собой каналам, продольные и поперечные электромагнитные волны.
Технической задачей данного изобретения является создание широкополосной планарной антенны, способной одновременно равноценно излучать и принимать продольные электромагнитные волны и поперечные электромагнитные волны одной апертурой по раздельным, развязанным между собой, каналам, с низким уровнем неравномерности характеристики согласования, простой и высокотехнологичной конструкцией.
Поставленная задача решается тем, что в планарной антенне, содержащей печатную СЩЛ, образованную двумя идентичными металлическими пластинами, которые соединены между собой металлической перемычкой с одной стороны и размещены на одной поверхности диэлектрической подложки, на другой поверхности которой расположен отрезок сигнальной полосковой линии, апертура антенны образована отрезком расширяющейся печатной СЩЛ, который является продолжением отрезка печатной ОСЩЛ, а образующие ее одинаковые металлические пластины выполнены сужающимися по внутренней боковой кромке от области начала расширения печатной СЩЛ до области максимального раскрыва апертуры антенны, при этом с одной стороны отрезок сигнальной полосковой линии пересекает отрезок печатной ОСЩЛ под прямым углом, а с другой стороны отрезок сигнальной полосковой линии подключается к канализирующей линии передачи, при этом земляной поверхностью отрезка сигнальной полосковой линии является одна из металлических пластин отрезка, печатной ОСЩЛ, согласно предложенному решению введена дополнительная диэлектрическая подложка, идентичная диэлектрической подложке, которая одной поверхностью установлена на поверхность диэлектрической подложки со стороны расположения печатной СЩЛ и полностью ее закрывает, а на другой поверхности которой размещен отрезок дополнительной сигнальной полосковой линии, земляной поверхностью которого являются одна и другая металлические пластины отрезка печатной ОСЩЛ, а продольная ось симметрии отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии параллельна продольной оси симметрии отрезка печатной ОСЩЛ и расположена с ней в одной плоскости, перпендикулярной диэлектрической подложке, причем отрезок дополнительной сигнальной полосковой линии, с одной стороны расположенный в области апертуры антенны, подключен к возбуждающему элементу, выполненному в виде отрезка осесимметричного полоскового проводника, а с другой стороны, отрезок дополнительной сигнальной полосковой линии, расположенный со стороны металлической перемычки, соединен с дополнительной канализирующей линией передачи, при этом продольная ось симметрии возбуждающего элемента совмещена с продольной осью симметрии отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии.
Данная планарная приемо-передающая печатная антенна позволяет одной апертурой по раздельным, развязанным между собой каналам принимать и излучать электромагнитные волны двух различных электродинамических и физических свойств: по одному каналу - поперечные электромагнитные волны; по другому каналу - продольные электромагнитные волны. Развязка отрезков сигнальной и дополнительной сигнальной полосковых линий, т.е. одного и другого каналов, обеспечивается тем, что отрезок сигнальной полосковой линии - для поперечной электромагнитной волны и отрезок дополнительной сигнальной полосковой линии - для продольной электромагнитной волны, в области пересечения расположены взаимно ортогонально и сигнальные полосковые линии расположены по разные стороны апертуры и на поверхностях диэлектрической и дополнительной диэлектрической подложек соответственно.
Планарная антенна может быть выполнена с введением второй и третьей дополнительных диэлектрических подложек, идентичных диэлектрической подложке, причем вторая дополнительная диэлектрическая подложка одной поверхностью установлена на поверхность диэлектрической подложки со стороны расположения отрезка сигнальной полосковой линии и полностью ее закрывает, а третья дополнительная диэлектрическая подложка одной поверхностью установлена на поверхность первой дополнительной диэлектрической подложки со стороны расположения отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии и полностью ее закрывает.
Планарная антенна может быть выполнена с введением первой и второй дополнительной печатной СЩЛ, идентичных печатной СЩЛ, при этом первая дополнительная печатная СЩЛ установлена на другую поверхность второй дополнительной диэлектрической подложки, а вторая дополнительная печатная СЩЛ установлена на другую поверхность третьей дополнительной диэлектрической подложки, причем первая и вторая дополнительные печатные СЩЛ расположены симметрично относительно плоскости расположения печатной СЩЛ, металлическая перемычка которой гальванически соединена с металлической перемычкой первой и второй дополнительных печатных СЩЛ.
Планарная антенна может быть выполнена с введением четвертой и пятой дополнительных диэлектрических подложек, идентичных диэлектрической подложке, каждая из которых одной поверхностью устанавливается на поверхность первой и второй дополнительной печатной СЩЛ соответственно и полностью их закрывает.
Планарная антенна может быть выполнена с шириной диэлектрических подложек, равной ширине максимального раскрыва апертуры антенны.
Планарная антенна может быть выполнена с шириной диэлектрических подложек больше ширины максимального раскрыва апертуры антенны.
Планарная антенна может быть выполнена с введением апертурного отрезка печатной ОСЩЛ, ширина которого равна ширине расширяющейся печатной СЩЛ в области максимального раскрыва апертуры антенны, при этом внутренние боковые кромки апертурного отрезка печатной ОСЩЛ параллельны оси симметрии печатной СЩЛ, причем апертурный отрезок печатной ОСЩЛ соединен гальванически с печатной СЩЛ в области максимального раскрыва апертуры.
Планарная антенна может быть выполнена с установкой в области апертурного отрезка печатной ОСЩЛ, по меньшей мере, хотя бы одного директора, выполненного в виде полоскового проводника, расположенного симметрично относительно внутренних боковых кромок апертурного отрезка печатной ОСЩЛ и перпендикулярно его продольной оси.
Планарная антенна может быть выполнена с сужением металлических пластин, образующих печатную СЩЛ в области апертуры антенны, по внутренней боковой кромке вдоль продольной оси симметрии в направлении от области соединения с отрезком печатной ОСЩЛ к области максимального раскрыва апертуры, при этом закон сужения может описываться линейной или нелинейной функцией или может чередоваться линейными и нелинейными или нелинейными и линейными отрезками, описываемыми линейной и нелинейной функциями соответственно.
Планарная антенна может быть выполнена с металлическими пластинами, внешние боковые кромки которых параллельны продольной оси симметрии антенны.
Планарная антенна может быть выполнена с металлическими пластинами, внешние боковые кромки которых по всей длине вдоль ее продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры, сужающимися или расширяющимися, причем закон сужения или расширения металлических пластин может описываться линейной или нелинейной функцией.
Планарная антенна может быть выполнена с полосковым проводником возбуждающего элемента в виде пластины прямоугольной формы.
Планарная антенна может быть выполнена с полосковым проводником возбуждающего элемента в виде расширяющейся пластины по двум внешним боковым кромкам вдоль продольной оси симметрии, в направлении от области соединения с отрезком дополнительной сигнальной полосковой линии к области максимального раскрыва апертуры, при этом закон расширения описывается линейной или нелинейной функцией.
Планарная антенна может быть выполнена с включением переходного устройства между отрезком дополнительной сигнальной полосковой линии и полосковым проводником возбуждающего элемента.
Переходное устройство может быть выполнено:
- в виде осесимметричного полоскового проводника;
- в виде зазора между торцом отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии и торцом полоскового проводника возбуждающего элемента;
- в виде полупроводникового элемента с регулируемой электрическим путем емкостью, включенного в зазор между торцом отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии и торцом полоскового проводника возбуждающего элемента.
Планарная антенна может быть выполнена с установкой на одну и другую боковые кромки, протяженные вдоль продольной оси полоскового проводника возбуждающего элемента, по меньшей мере, по одной паре идентичных полосковых согласующих элемента, соответственно, по одному на одну и другую внешнюю боковую кромку, при этом полосковые согласующие элементы расположены симметрично относительно продольной оси отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии.
Полосковый согласующий элемент может быть выполнен, по крайней мере, из одного импедансного шлейфа в виде ленточного проводника, который соединен гальванически с внешней боковой кромкой полоскового проводника возбуждающего элемента.
Полосковый согласующий элемент может быть выполнен в виде, по крайней мере, из одного неоднородного импедансного шлейфа, который может быть соединен с внешней боковой кромкой полоскового проводника возбуждающего элемента гальванически или электромагнитно. Электромагнитная связь, например, может выполняться в виде однородного зазора или в виде неоднородного зазора.
Планарная антенна может быть выполнена с установкой на торцевую боковую кромку, противоположную кромке подключения возбуждающего элемента к отрезку дополнительной сигнальной полосковой линии, по меньшей мере, по одному полосковому согласующему элементу, который расположен симметрично относительно продольной оси отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии, при этом полосковый проводник согласующего элемента может быть соединен с полосковым проводником возбуждающего элемента гальванически или электромагнитно. Электромагнитная связь выполняется в виде однородного зазора.
Планарная антенна может быть выполнена с гальваническим подключением к отрезку сигнальной полосковой линии с одной стороны импедансной нагрузки, которая выполнена в виде полосковой области и может иметь, например, форму круга или сектора.
Планарная антенна может быть выполнена с двумя идентичными осесимметричными металлическими импедансными пластинами, которые установлены со стороны одной и другой внешних боковых кромок металлических пластин печатной СЩЛ, состоящей из отрезка печатной ОСЩЛ и отрезка расширяющейся печатной СЩЛ, соответственно, при этом импедансные металлические пластины расположены симметрично относительно плоскости расположения металлических пластин печатной СЩЛ и перпендикулярно этой плоскости, причем каждая металлическая импедансная пластина гальванически соединена контактным элементом с соответствующей внешней боковой кромкой металлической пластины печатной СЩЛ.
При выполнении антенны с тремя печатными СЩЛ металлические пластины, их образующие, подключаются внешней боковой кромкой к соответствующей металлической импедансной пластине своим контактным элементом идентично подключению металлических пластин одной печатной СЩЛ контактными элементами к металлическим импедансным пластинам.
Контактный элемент может быть выполнен:
- в виде металлического стержня, место установки которого определено участком внешней боковой кромки металлической пластины печатной СЩЛ, соответствующей апертуре антенны;
- в виде ленточного проводника, который установлен вдоль внешней боковой кромки металлической пластины печатной СЩЛ и расположен с ней в одной плоскости;
- в виде полупроводникого элемента с регулируемой электрическим путем емкостью, место установки которого определено участком внешней боковой кромки металлической пластины печатной СЩЛ, соответствующей апертуре антенны;
- в виде катушки индуктивности в печатном или объемном исполнении, который установлен вдоль внешней боковой кромки металлических пластин печатной СЩЛ.
Металлическая импедансная пластина может быть выполнена постоянной ширины, например, в форме прямоугольника.
Металлическая импедансная пластина вдоль продольной оси в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры может быть выполнена увеличивающейся или уменьшающейся ширины, при этом закон увеличения или уменьшения ширины по внешней боковой кромке описывается линейной или нелинейной функцией. Кроме того, нелинейная функция может иметь вид:
±m/n
y=ах,
где а - коэффициент, задается действительным числом;
m, n - целые положительные взаимно простые числа, причем n>m;
x - координата, соответствующая продольной оси антенны;
или может иметь вид
bx
dx
y=ае+се,
где а, b, с, d - коэффициенты, задаются действительными числами;
x - координата, соответствующая продольной оси антенны.
На фиг.1 схематически изображена конструкция планарной антенны с двумя диэлектрическими подложками; на фиг.2 схематически изображена конструкция планарной антенны с двумя дополнительными диэлектрическими подложками и с двумя дополнительными печатными СЩЛ; на фиг.3 упрощенно изображено поперечное сечение планарной антенны с двумя диэлектрическими подложками (фиг.1) в области отрезков сигнальной и дополнительной сигнальной полосковых линий; на фиг.4 упрощенно изображено поперечное сечение планарной антенны с двумя внешними третьей и четвертой дополнительными диэлектрическими подложками (фиг.1) в области отрезков сигнальной и дополнительной сигнальной полосковых линий; на фиг.5 упрощенно изображено поперечное сечение планарной антенны с двумя внешними второй и третьей дополнительными печатными СЩЛ (фиг.2) в области отрезков сигнальной и дополнительной сигнальной полосковых линий; на фиг.6 упрощенно изображено поперечное сечение планарной антенны с двумя внешними пятой и шестой дополнительными диэлектрическими подложками в области отрезков сигнальной и дополнительной сигнальной полосковых линий; на фиг.7 упрощенно изображено продольное сечение планарной антенны (фиг.1) с шириной диэлектрических подложек, равной ширине максимального раскрыва апертуры антенны и, например, с линейным сужением по внутренней боковой кромке металлических пластин печатной СЩЛ в области апертуры в области печатной СЩЛ; на фиг.8 упрощенно изображено продольное сечение планарной антенны (фиг.1) с шириной диэлектрических подложек больше ширины максимального раскрыва апертуры антенны в области печатной СЩЛ; на фиг.9 упрощенно изображено продольное сечение планарной антенны (фиг.1) с апертурным отрезком печатной ОСЩЛ, подключенным в области максимального раскрыва апертуры антенны в области СЩЛ; на фиг.10 упрощенно изображено продольное сечение планарной антенны (фиг.1), в которой с установлен в области апертурного отрезка печатной ОСЩЛ один директор, в виде полоскового проводника прямоугольной формы в области печатной СЩЛ; на фиг.11 упрощенно изображено продольное сечение планарной антенны (фиг.1) с шириной диэлектрической подложки, равной ширине максимального раскрыва апертуры, и сужением в области апертуры металлических пластин печатной СЩЛ по внутренней боковой кромке, например, выпуклой формы в области печатной СЩЛ; на фиг.12 упрощенно изображено продольное сечение планарной антенны (фиг.1) с шириной диэлектрической подложки, равной ширине максимального раскрыва апертуры, и сужением в области апертуры металлических пластин печатной СЩЛ по внутренней боковой кромке, например, вогнутой формы в области печатной СЩЛ; на фиг.13 упрощенно изображено продольное сечение планарной антенны (фиг.1) с сужением линейной формы по внешним боковым кромкам металлических пластин печатной СЩЛ вдоль продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры в области печатной СЩЛ; на. фиг.14 упрощенно изображено продольное сечение планарной антенны (фиг.1) с сужением, например, выпуклой формы по внешним боковым кромкам металлических пластин печатной СЩЛ вдоль продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры в области печатной СЩЛ; на фиг.15 упрощенно изображено продольное сечение планарной антенны (фиг.1) с сужением, например, вогнутой формы по внешним боковым кромкам металлических пластин печатной СЩЛ вдоль продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры в области печатной СЩЛ; на фиг.16 упрощенно изображено продольное сечение планарной антенны (фиг.1) с расширением линейной формы по внешним боковым кромкам металлических пластин печатной СЩЛ вдоль продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры в области печатной СЩЛ; на фиг.17 упрощенно изображено продольное сечение планарной антенны (фиг.1) с расширением, например, выпуклой формы по внешним боковым кромкам металлических пластин печатной СЩЛ вдоль продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры в области печатной СЩЛ; на фиг.18 упрощенно изображено продольное сечение планарной антенны (фиг.1) с расширением, например, вогнутой формы по внешним боковым кромкам металлических пластин печатной СЩЛ вдоль продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры; на фиг.19 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с полосковым проводником возбуждающего элемента в форме прямоугольника; на фиг.20 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с полосковым проводником возбуждающего элемента, расширяющимся линейно по двум внешним боковым кромкам в направлении от области минимального раскрыва апертуры к области максимального раскрыва апертуры; на фиг.21 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с полосковым проводником возбуждающегося элемента, расширяющимся по двум внешним боковым кромкам нелинейно-вогнутой формы по направлению от области минимального раскрыва апертуры к области максимального раскрыва апертуры; на фиг.22 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с полосковым проводником возбуждающего элемента расширяющимся по двум внешним боковым кромкам нелинейно-выпуклой формы по направлению от области минимального раскрыва к области максимального раскрыва апертуры; на фиг.23 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с переходным устройством в виде осесимметричного ленточного проводника; на фиг.24 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с переходным устройством в виде воздушного зазора между торцом отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии и торцом полоскового проводника возбуждающего элемента; на фиг.25 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1), в которой переходное устройство, в виде полупроводникового элемента, включено в воздушный зазор между торцом отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии и торцом полоскового проводника возбуждающего элемента; на фиг.26 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с полосковым согласующим элементом, состоящим из трех попарно идентичных импедансных шлейфов в форме ленточного проводника, которые соединены гальванически с внешними боковыми кромками полоскового проводника возбуждающего элемента; на фиг.27 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с полосковым согласующим элементом, состоящим из одной пары идентичных неоднородных импедансных шлейфа, выполненных в форме треугольного полоскового проводника, которые соединены гальванически с внешними боковыми кромками полоскового проводника возбуждающего элемента; на фиг.28 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с полосковым согласующим элементом, состоящим из двух пар попарно идентичных неоднородных импедансных шлейфов в форме треугольного полоскового проводника, которые соединены гальванически с внешними боковыми кромками полоскового проводника возбуждающего элемента; на фиг.29 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с полосковым согласующим элементом, состоящим из неоднородного импедансного шлейфа в форме равнобедренного треугольного полоскового проводника, который соединен гальванически с торцевой боковой кромкой полоскового проводника возбуждающего элемента; на фиг.30 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с полосковым согласующим элементом, состоящим из одной пары идентичных неоднородных импедансных шлейфов, которые соединены однородной электромагнитной связью с внешними боковыми кромками полоскового проводника возбуждающего элемента; на фиг.31 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с полосковым согласующим элементом, состоящим из одной пары идентичных неоднородных импедансных шлейфов, которые соединены неоднородной электромагнитной связью с внешними боковыми кромками полоскового проводника возбуждающего элемента; на фиг.32 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1), в которой к концу отрезка сигнального полоскового проводника в области печатной ОСЩЛ подключена гальванически импедансная нагрузка в виде полосковой области, например, в форме сектора; на фиг.33 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1, в которой к концу отрезка сигнального полоскового проводника в области печатной ОСЩЛ подключена гальванически импедансная нагрузка в виде полосковой области, например, в форме круга; на фиг.34 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с гальваническим подключением металлических импедансных пластин контактными элементами, выполненными в виде стержня, к металлическим пластинам печатной СЩЛ в области максимального раскрыва апертуры; на фиг.35 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с гальваническим подключением металлических импедансных пластин контактными элементами, выполненными в виде ленточного проводника, по всей длине внешней боковой кромки к металлическим пластинам СЩЛ; на фиг.36 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с металлической импедансной пластиной, постоянной ширины вдоль продольной оси симметрии, соединенной контактным элементом в виде стержня с металлической пластиной печатной СЩЛ в области максимального раскрыва апертуры; на фиг.37 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с металлической импедансной пластиной линейно уменьшающейся ширины вдоль продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры; на фиг.38 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с металлической импедансной пластиной уменьшающейся ширины выпуклой формы вдоль продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры; на фиг.39 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с металлической импедансной пластиной уменьшающейся ширины вогнутой формы вдоль продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры; на фиг.40 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с металлической импедансной пластиной линейно увеличивающейся ширины вдоль продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры; на фиг.41 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с металлической импедансной пластиной увеличивающейся ширины выпуклой формы вдоль продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры; на фиг.42 - пример выполнения планарной антенны (фиг.1) с металлической импедансной пластиной увеличивающейся ширины вогнутой формы вдоль продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва.
Планарная антенна (фиг.1) содержит печатную СЩЛ 1, образованную двумя идентичными металлическими пластинами 2, которые соединены между собой с одной стороны металлической перемычкой 3 и размещены на одной поверхности диэлектрической подложки 4, на другой поверхности диэлектрической подложки 4 расположен отрезок сигнальной полосковой линии 5, при этом апертура антенны образована отрезком расширяющейся печатной СЩЛ 6, который является продолжением отрезка печатной ОСЩЛ 7, а образующие ее идентичные металлические пластины 2 выполнены суживающимися по внутренней боковой кромке 8 от области начала расширения отрезка печатной ОСЩЛ 7 до области максимального раскрыва апертуры антенны, при этом с одной стороны отрезок сигнальной полосковой линии 5 пересекает отрезок печатной ОСЩЛ 7 под прямым углом, а с другой стороны отрезок сигнальной полосковой линии 5 подключается к канализирующей линии передачи, при этом земляной поверхностью отрезка сигнальной полосковой линии является одна из металлических пластин 2 отрезка печатной ОСЩЛ 7, при этом дополнительная диэлектрическая подложка 9, идентичная диэлектрической подложке 4, одной поверхностью установлена на поверхность диэлектрической подложки 4 со стороны печатной СЩЛ 6 и полностью ее закрывает, а на другой поверхности которой размещен отрезок дополнительной сигнальной полосковой линии 10, земляной поверхностью которого являются одна и другая металлические пластины 2 отрезка печатной ОСЩЛ 7, а продольная ось симметрии отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии 10 параллельна продольной оси симметрии отрезка печатной ОСЩЛ 7 и расположена с ней в одной плоскости, перпендикулярной диэлектрической подложке 4, причем отрезок дополнительной сигнальной полосковой линии 10, с одной стороны расположенный в области апертуры антенны, подключен к возбуждающему элементу 11, выполненному в виде отрезка осесимметричного полоскового проводника. С другой стороны отрезок дополнительной сигнальной полосковой линии 11, расположенный со стороны металлической перемычки 3, соединен с дополнительной канализирующей линией передачи, при этом продольная ось симметрии возбуждающего элемента 11 совмещена с продольной осью симметрии отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии 10.
Вторая дополнительная диэлектрическая подложка 12 (фиг.2) одной поверхностью установлена на поверхность диэлектрической подложки 4 со стороны расположения отрезка сигнальной полосковой линии 5 и полностью ее закрывает, а третья дополнительная диэлектрическая подложка 13 одной поверхностью установлена на поверхность первой дополнительной диэлектрической подложки 9 со стороны расположения отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии 10 и полностью ее закрывает. Первая и вторая дополнительные печатные СЩЛ 14 и 15 установлены на другие поверхности второй и третьей дополнительных диэлектрических подложек 12 и 13 соответственно и расположены симметрично относительно плоскости расположения металлических пластин 2 печатной СЩЛ 1.
Планарная антенна (фиг.1) в плоскости расположения печатной СЩЛ 1 может быть выполнена с апертурным отрезком 18 печатной ОСЩЛ 7 (фиг.9), при этом ширина апертурного отрезка 18 равна ширине расширяющейся печатной СЩЛ 6 в области максимального раскрыва апертуры. Директор 19 (фиг.10) в виде полоскового проводника установлен в области апертурного отрезка 18 печатной ОСЩЛ.
Варианты выполнения внешних боковых кромок 20 металлических пластин 2 печатной СЩЛ вдоль продольной оси симметрии в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры в области печатной СЩЛ 1 показаны на фиг.13-18
Варианты выполнения внешних боковых кромок 21 полоскового проводника возбуждающего элемента 11 показаны на фиг.19-22.
Между торцом отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии 10 и торцом полоскового проводника возбуждающего элемента 11 может быть включено переходное устройство 22, которое выполнено в виде осесимметричного полоскового проводника, зазора, полупроводникового элемента с регулируемой электрическим путем емкостью (фиг.23-25 для планарной антенны - фиг.1). На каждую внешнюю боковую кромку полоскового проводника возбуждающего элемента 11 могут быть гальванически установлены три полосковых согласующих элемента 23, выполненных, например, в виде однородных импедансных шлейфов (фиг.26) или неоднородных импедансных шлейфов (фиг.27, 28), например, в виде равнобедренного треугольника, подключенного гальванически к торцевой боковой кромке 24 полоскового проводника возбуждающего элемента 11 (фиг.29).
В планарной антенне полосковый согласующий элемент 23 выполнен в виде, например, пары неоднородных импедансных шлейфов, соединенных электромагнитно с одной и другой внешними боковыми кромками полоскового проводника возбуждающего элемента 11 в виде однородного зазора 25 и неоднородного зазора 26 соответственно (фиг.30, 31).
В планарной антенне металлические импедансные пластины 28 гальванически соединены контактными элементами 29 с внешней боковой кромкой 20 металлических пластин 2 в области максимального раскрыва апертуры (фиг.35).
Планарная антенна работает следующим образом.
Работу планарной антенны рассмотрим раздельно по каждому каналу, т.е. по каналу поперечных электромагнитных волн и по каналу продольных электромагнитных волн. В режиме приема и излучения поперечных электромагнитных волн планарная антенна (фиг.1) работает следующим образом.
10
10
10
Входной СВЧ сигнал волны типа Т поступает на отрезок сигнальной полосковой линии 5, расположенный над металлической пластиной 2 отрезка печатной ОСЩЛ 7 и разделенный диэлектрической подложкой 4, т.е. на отрезок несимметричной полосковой линии волны типа Т. Область ортогонального пересечения отрезка сигнальной полосковой линии 5 и отрезка печатной ОСЩЛ 7, разделенных диэлектрической подложкой 4, представляет собой согласованный по волновому сопротивлению модоимпедансный трансформатор, где волна типа Т несимметричной полосковой линии трансформируется в волну типа H печатной ОСЩЛ (Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. / Объемные интегральные схемы СВЧ // - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы // 1985. - 256 с., ил.). Возбудившаяся волна типа H в отрезке печатной ОСЩЛ 7 представляет собой поперечную электромагнитную волну с плоским фронтом, трансформируется в отрезке расширяющейся печатной СЩЛ 6, т.е. в апертуре, в поперечную электромагнитную волну типа H, имеющую сферический фронт, которая и излучается в свободное пространство (Benoit Stockbroeckx, Andre Vander Vorst / Copolar and Cross-Polar Radiation of Vivaldi Antenna on Dielectric Substrate. // IEEE Trans / on Antenna and Propag. V.48, No.1, January 2000, pp.19-25). Аналогичным образом планарная антенна работает в режиме приема.
В режиме приема и излучения продольных электромагнитных волн планарная антенна работает следующим образом.
||
⊥
||
⊥
||
⊥
||
Входной СВЧ сигнал волны типа Т поступает на отрезок дополнительной сигнальной полосковой линии 10, разделенный дополнительной диэлектрической подложкой 9 от отрезка планарной ОСЩЛ 7 и расположенный симметрично относительно металлических пластин 2, ее образующих, которые в свою очередь для отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии 10 являются земляными пластинами, т.е. на отрезок копланарной полосковой линии волны типа Т. (Sachse K., Sowicki A. // New microstrip transmission lines for microwave integrated circuits. // In: IEEE Proc. Microwave Symp. // 1979, p.468-470.) К отрезку дополнительной сигнальной полосковой линии 10 в области апертуры антенны, т.е. в области расширяющейся печатной СЩЛ 6, соосно подключен возбуждающий элемент 11, который выполняется в виде отрезка осесимметричного полоскового проводника. Металлические пластины 2, образующие отрезок печатной ОСЩЛ 7 и отрезок расширяющейся печатной СЩЛ 6, соединенные между собой металлической перемычкой 3, находятся под одним потенциалом и при этом одновременно выполняют две функции, а именно земляных пластин по отношению к отрезку дополнительной сигнальной полосковой линии 10 и апертуру антенны, причем сам отрезок дополнительной сигнальной полосковой линии 10 находится под другим потенциалом. Область апертуры антенны с возбуждающим элементом 11, имеющим тот же потенциал, что и отрезок дополнительной сигнальной полосковой линии 10, можно рассматривать как две идентичные неоднородные линии передачи поперечной электромагнитной волны типа Т с общим центральным проводником, а именно общий проводник - отрезок дополнительной сигнальной полосковой линии 10, а два других проводника - одна и другая металлические пластины 2 печатной СЩЛ 1. Возбуждающим элементом 11 на поверхностях одной и другой металлических пластин 2 возбуждаются поверхностные токи проводимости, соответствующие поперечной электромагнитной волне типа Т. Возбуждаемый поверхностный ток проводимости на поверхности каждой металлической пластины 2 в области апертуры антенны порождает вектор электрического поля Е, который характеризуется двумя составляющими электрического поля E и E относительно продольной оси симметрии антенны. Первая из них E - параллельна продольной оси симметрии антенны, а вторая E - ортогональна оси симметрии антенны. В силу симметрии антенны относительно координатной плоскости, проходящей через середину диэлектрических подложек 4 и 9, и перпендикулярно им составляющие электрического поля E ориентированы одинаково и, соответственно, суммируются в апертуре, а составляющие электрического поля E ориентированы встречно и соответственно взаимно компенсируются в апертуре. В результате суммирования всех составляющих электрического поля E на металлических пластинах 2 печатной СЩЛ 1 в апертуре происходит формирование и излучение продольной электромагнитной волны. Таким образом, происходит трансформация первичной поперечной электромагнитной волны во вторичную продольную электромагнитную волну, излучаемую в свободное пространство.
Ортогональное пересечение отрезка сигнальной полосковой линии 5 и отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии 10, разделенных диэлектрической и дополнительной диэлектрической подложками 4 и 9 соответственно, обеспечивает между ними высокий уровень развязки.
Таким образом, планарная антенна (фиг.1) на одну апертуру может принимать и излучать, по раздельным развязанным каналам, продольные и поперечные электромагнитные волны.
Планарная антенна (фиг.2) с дополнительными первой 14 и второй 15 печатными СЩЛ (фиг.5) позволяет на раздельные апертуры принимать и излучать поперечные и продольные электромагнитные волны.
Использование дополнительных второй 12 и третьей 13 диэлектрических подложек (фиг.4) в планарной антенне (фиг.1) позволяет уменьшить потери на излучение отрезков сигнальной 5 и дополнительной сигнальной 10 полосковых линий.
Использование дополнительных четвертой 16 и пятой 17 диэлектрических подложек (фиг.6) обеспечивает однородность диэлектрического заполнения для планарной антенны (фиг.2).
В конструкциях антенн могут использоваться различные:
- размеры диэлектрической подложки 4 по отношению к максимальному раскрыву апертуры антенны (фиг.7 и 8);
- апертурный отрезок 18 печатной ОСЩЛ, который подключен к области максимального раскрыва апертуры антенны (фиг.9);
- директор 19, который установлен в области апертурного отрезка 18 печатной ОСЩЛ (фиг.10);
- формы металлических пластин 2 по внутренней боковой кромке 8 в области апертуры антенны (фиг.11 и 12);
- формы металлических пластин 2 по внешней боковой кромке 20 антенны (фиг.13 - 18);
- формы пластин возбуждающих элементов 11 (фиг.19 - 22);
- виды выполнения переходных устройств 22 для соединения отрезка дополнительной сигнальной полосковой линии 10 с возбуждающим элементом 11 (фиг.23 - 25);
- варианты согласующих устройств 23 возбуждающего элемента 11 (фиг.26 - 31);
- варианты выполнения импедансной нагрузки 27 для согласования отрезка сигнальной полосковой линии 5 (фиг.32 и 33);
- варианты подключения контактными элементами 29 металлических импедансных пластин 28 к внешним боковым кромкам 20 металлических пластин 2 печатной СЩЛ 1 (фиг.34 и 35);
- варианты выполнения форм металлических импедансных пластин 28 (фиг.36 - 42).
Таким образом, оптимально выбирая: структуру планарной антенны (фиг.1 - 6), размеры диэлектрической подложки 4 (фиг.7 и 8), использование апертурного отрезка 18 (фиг.9), директора 19 (фиг.10), форму выполнения апертуры по внутренней боковой кромке 8 (фиг.11 и 12), форму выполнения металлических пластин 2 по внешней боковой кромке 20 (фиг.13 - 18), форму пластин возбуждающих элементов 11 (фиг.19 - 22), вид переходного устройства 22 (фиг.23 - 25), вид согласующего устройства 23 и способ их подключения (фиг.26-31), вид импедансной нагрузки 27 (фиг.32 и 33), варианты подключения контактными элементами 29 металлических импедансных пластин 28 к внешним боковым кромкам 20 металлических пластин 2 печатной СЩЛ 1 (фиг.34 и 35), форму металлических импедансных пластин 28 (фиг.36 - 42), получаем конструкцию планарной антенны на заданные электрические характеристики.