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 (Патент США №5124733), содержащая 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. 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, №13, 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.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в среднем металлическом слое выполнена крестообразная щель, состоящая из двух пересекающихся щелей и введением четырех металлических перемычек, соединяющих средний и нижний металлические слои.
Возможны дополнительные варианты выполнения печатной антенны, в которых:
- нижний диэлектрический слой и нижний и средний металлические слои выполнены квадратной формы, причем нижний диэлектрический слой, а также нижний и средний металлические слои имеют одинаковые размеры, крестообразная щель имеет длину, равную стороне среднего металлического слоя, ее центр совпадает с центром среднего металлического слоя, оси пересекающихся щелей параллельны краям среднего металлического слоя, а металлические перемычки расположены на диагоналях нижнего диэлектрического слоя на одинаковом расстоянии от его центра;
- печатная антенна содержит один элемент возбуждения, расположенный на диагонали нижнего диэлектрического слоя, а верхний диэлектрический слой и верхний металлический слой выполнены в виде геометрических фигур, имеющих две плоскости симметрии, но не имеющих симметрию поворота на 90 градусов относительно прямой, образованной пересечением указанных плоскостей симметрии, а указанная прямая проходит через центр нижнего диэлектрического слоя перпендикулярно указанному слою;
- печатная антенна содержит два элемента возбуждения, которые расположены на разных диагоналях нижнего диэлектрического слоя на одинаковом расстоянии от его центра, а верхний диэлектрический слой и верхний металлический слой выполнены в виде геометрической фигуры, обладающей симметрией поворота на 90 градусов вокруг оси, проходящей через центр нижнего диэлектрического слоя перпендикулярно указанному слою;
- печатная антенна содержит четыре элемента возбуждения, которые расположены на диагоналях нижнего диэлектрического слоя на одинаковом расстоянии от его центра, а верхний диэлектрический слой и верхний металлический слой выполнены в виде геометрической фигуры, обладающей симметрией поворота на 90 градусов вокруг оси, проходящей через центр нижнего диэлектрического слоя перпендикулярно указанному слою;
- металлические перемычки выполнены в виде пар проводников, причем проводники в каждой паре расположены симметрично относительно диагоналей нижнего диэлектрического слоя и все пары расположены на одинаковом расстоянии от его центра.
Один из возможных вариантов выполнения печатной антенны показан на фиг.1, 2. На фиг.1 показан общий вид антенны, содержащей нижний диэлектрический слой (1) и верхний диэлектрический слой (2), нижний металлический слой (3), средний металлический слой (4) и верхний металлический слой (5), крестообразную щель (6), а на фиг.2 показан нижний диэлектрический слой (1), нижний металлический слой (3) и средний металлический слой (4), металлические перемычки (7) и элемент (8) возбуждения.
Все слои имеют прямоугольную форму, в частном случае квадратную. На фиг.3 показаны средний металлический слой (4) печатной антенны с металлическими перемычками (7) в виде пар проводников и элемент (8) возбуждения.
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.4. Для простоты будем рассматривать случай, когда все слои имеют квадратную форму и одинаковые размеры. Пусть длина стороны квадрата равна а. Также рассмотрим случай одинаковых проницаемостей верхнего диэлектрического слоя (1) и нижнего диэлектрического слоя (2).
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 указанные на фиг.4 колебания 1 и 2. Они формируются путем переотражений T-волн нижнего диэлектрического слоя (1) с металлизированными поверхностями, как показано на фиг.5. Рассмотрим этот процесс подробнее на примере колебания 2. T-волна бежит от короткозамыкателя (7) по направлению указанному нижней стрелкой. Она добегает до крестообразной щели (6), в которой установлена электрическая стенка. Крестообразная щель (6) с электрической стенкой пропускает волну на верхний диэлектрический слой (2) (см. фиг.5). На верхнем диэлектрическом слое (2) волна продолжает распространение до обрыва верхнего металлического слоя (4) и среднего металлического слоя (5). Обрыв металлических слоев приближенно эквивалентен нагрузке типа холостой ход. Волна отражается от такой нагрузки почти полностью. Часть ее мощности излучается в свободное пространство. Излучение в свободное пространство эквивалентно потерям мощности, за счет которых добротность резонатора имеет конечное значение.
Отразившись от обрыва среднего металлического слоя (4) и верхнего металлического слоя (5), T-волна распространяется назад, переходит через крестообразную щель (6) на нижний диэлектрический слой (7) и затем падает на короткозамыкатель (6). Короткозамыкатель (6) полностью без излучения отражает волну. Процесс затем повторяется периодически. Отметим, что переход со слоя на слой через щель (6) с магнитной стенкой невозможен.
Таким образом, каждый парциальный резонатор (см. фиг.4) представляет собой отрезок линии передачи, который закорочен на одном конце и имеет нагрузку типа холостой ход на другом конце. 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 T-волны, формирующей это колебание происходит по диагонали, как показано на фиг.4. За счет этого длина эквивалентной линии передачи оказывается иной и колебание имеет резонансную частоту более низкую, чем рабочие колебания. Следует отметить, однако, что возбуждение колебания 3 может давать полезный эффект. Если выбором параметров резонатора сделать его резонансную частоту близкой к частоте рабочего колебания, то возникает режим связанных колебаний, в котором возможно получить более широкую полосу рабочих частот.
Наконец колебание 4. Оно также относится к числу нерабочих, поскольку оно не имеет щелей с электрической стенкой и волны не могут переходить со слоя на слой. По этой причине резонансная частота колебания 4 почти в два раза выше резонансной частоты рабочих колебаний 1, 2.
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 двух разных схем, отличающихся числом элементов возбуждения. Первая схема содержит один элемент (8) возбуждения. Она показана на фиг.6.
2
2
В этом случае верхний диэлектрический слой (2) и верхний металлический слой (5) выполнены в виде геометрических фигур, имеющих две плоскости симметрии. Эти плоскости 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. В простейшем случае, показанном на фиг.1, верхний диэлектрический слой (2) и верхний металлический (5) слой имеют форму прямоугольника с разными сторонами a, b, которые не должны быть одинаковыми. Элемент (8) возбуждения располагается на диагонали нижнего диэлектрического слоя (1).
1
2
y
x
Отсутствие симметрии поворота на 90 градусов у верхних слоев 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, a 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.7 показана типичная зависимость модуля коэффициента отражения от частоты для колебаний, расстроенных в соответствии с формулами (6).
Из фиг.7 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. Следует также отметить, что при использовании одного элемента (8) возбуждения в резонаторе возбуждаются все возможные типы колебаний, в том числе и колебание третьего типа, которое может иметь резонансную частоту, близкую к частоте основного колебания. Выше уже отмечалось, что это можно использовать для расширения полосы согласования антенны. Однако при этом система становится весьма чувствительной к точности изготовления. Возникающие в этом случае требования к технологии изготовления не всегда могут быть приемлемыми.
Описанные выше противоречия устраняются в схемах питания с несколькими элементами возбуждения. Наибольший положительный эффект дает схема с четырьмя элементами возбуждения. Она показана на фиг.8.
При использовании четырех элементов (8) возбуждения верхний диэлектрический слой (2) и верхний металлический слой (5) выполняются в виде геометрической фигуры, имеющей симметрию поворота на 90 градусов. Ось симметрии совпадает с осью симметрии нижнего диэлектрического слоя (1), имеющего форму квадрата. Верхний диэлектрический слой (2) и верхний металлический слой (5) в антенне, показанной на фиг.8, имеют квадратную форму.
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.
Четырехэлементное питание требует использования специальных схем, обеспечивающих требуемые амплитудно-фазовые соотношения между возбуждающими напряжениями.
На фиг.9 показаны параллельная (фиг.9а) и последовательная (фиг.9б) 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.
Металлические перемычки (7) представляют собой проводники, гальванически соединяющие нижний металлический слой (3) и средний металлический слой (4) (см. фиг.3). Этот проводник расположен в отверстии в нижнем диэлектрическом слое (1). В идеальном случае металлическая перемычка (7) должна отражать T-волну с коэффициентом отражения, равным минус единице. На практике, однако, он не равен минус единице. Наиболее существенным отличием является отличие фазы, которое связано с влиянием конечной индуктивности проводника. Близость фазы к идеальному значению π зависит от диаметра проводника. Чем тоньше проводник, тем больше его индуктивность. Индуктивность перемычки компенсируется приближением к ней элемента возбуждения. Изменение расстояния эквивалентно изменению фазы коэффициента отражения. Недостатком такого технического решения является его сильная зависимость от точности позиционирования элемента возбуждения относительно металлической перемычки. Часто требования к точности оказываются технологически невыполнимыми.
В этом случае можно использовать распределенные металлические перемычки (7) в виде двух проводников, как показано на фиг.3. Суммарная индуктивность двух проводников меньше индуктивности одного проводника. Поэтому расстояние до элемента (8) возбуждения можно увеличить и, следовательно, ослабить требования к точности позиционирования.
В реальных конструкциях металлическую перемычку (7) удобно выполнять в виде металлизированного отверстия. 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 одним элементом (8) возбуждения. Расчеты проводились в системе Microwave Studio для следующих параметров:
- все слои имеют квадратную форму, длина стороны квадрата равна 17 мм;
- толщина диэлектрических слоев - 2 мм;
- проницаемость диэлектрических слоев - 10;
- ширина щели - 0.45 мм;
- толщины металлических слоев - 0.03 мм;
- диаметр короткозамыкателя и возбудителя - 0.5 мм;
- расстояние от края антенны до центра короткозамыкателя - 1 мм;
- расстояние между короткозамыкателем и возбудителем - 1.5 мм.
Из фиг.10 видно, что кривая коэффициента отражения имеет двугорбый характер, что говорит о возбуждении колебания третьего типа, которое в данном случае играет положительную роль, расширяя полосу частот с хорошим согласованием.
На фиг.11 показана трехмерная диаграмма направленности печатной антенны по мощности. Видно, что она близка к изотропной. Тем не менее, видна также ее некоторая асимметрия, обусловленная несимметричным возбуждением.
На фиг.12 показаны полученные экспериментально результаты измерения коэффициента стоячей волны (КСВ) печатной антенны, выполненной из материала ФЛАН-10 с проницаемостью 10 и толщиной слоя 2 мм. Размеры антенны 15×15 мм.
Кривая на фиг.12 показывает, что использование колебания третьего типа на практике позволяет расширить полосу согласования антенны.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, предназначено для использования в промышленности, а именно в технике антенн, например в качестве приемной антенны устройства спутниковой навигации;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, позволяет реализовать следующий технический результат: уменьшить размеры печатной антенны, обеспечить прием и передачу волн с круговой поляризацией при сохранении полосы рабочих частот и таким образом повысить функциональные и технологические возможности радиоэлектронных систем.