МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА
MICROSTRIP ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антеннам, и может быть использовано для приема радиосигналов, в частности, в качестве активной приемной антенны в аппаратуре пользователей космических навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS/GALILEO).
Микрополосковые антенны (МПА) вследствие их компактности и технологичности изготовления нашли широкое применение во многих системах связи. В последнее время остро стоит проблема их миниатюризации. Одним из способов уменьшения габаритов МПА является использование диэлектрических подложек с большим значением диэлектрической проницаемости (более 10) [Б.А.Панченко, Е.И.Нефедов. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986, 145 с.].
Однако это приводит к уменьшению полосы согласования МПА и, в конечном счете, к падению эффективности излучения МПА.
Альтернативным способом уменьшения габаритов МПА является использование метаматериалов в конструкции антенн [C.Caloz, T.Itoh. Elektromagnetic Metamaterial: Transmission Line Theory and Microwave Applications. New York: Wiley and IEEE Press, 2005].
Известна МПА с метаматериалом, состоящая из петлевой антенны, окруженной метаматериалом [Заявка США №20090140946, кл. H01Q 1/50; H01Q 15/08; H01Q 7/08; H01Q 9/16, опубл. 2009-06-04].
Ее недостатком можно считать относительно большие габариты, поскольку она является трехмерной антенной.
Известна также антенна, состоящая из набора печатных плат, закороченных в центре на земляную плоскость (грибовидные структуры) [Заявка США №20080258981, кл. H01Q 1/24; H01Q 1/38, опубл. 2008-10-23].
Недостатком такой конструкции является наличие закорачивающих штырей, соединяющих печатные платы с земляной плоскостью.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является микрополосковая антенна, включающая излучающую пластину, расположенный под ней экран, емкостные элементы, укрепленные на краях излучающей пластины, и штырь связи, соединяющий пластину с линией питания [Патент РФ №2390890, кл. H01Q 3/00, H01Q 1/38, H01Q 21/24, опубл. 27.05.2010].
В известной антенне излучающая пластина и экран расположены противоположно и отделенно друг от другу, на краях излучающей пластины и экрана выполнены емкостные элементы в виде набора коротких ребер, загнутых внутрь пространства между экраном и излучающей пластиной для обеспечения уменьшения резонансного размера.
Недостатком такой антенны является то, что пластины перекрывают область излучения микрополосковой антенны, расположенную по периметру излучающего элемента между ее краем и экраном, что при достаточно большом уменьшении резонансного размера излучающей пластины ухудшает эффективность излучения.
Технической задачей изобретения является уменьшение габаритов микрополосковой антенны без уменьшения эффективности ее излучения.
Указанная задача решается тем, что микрополосковая антенна, включающая излучающую пластину, расположенный под ней экран, емкостные элементы, укрепленные на краях излучающей пластины, и штырь связи, соединяющий пластину с линией питания, снабжена диэлектрической подложкой, на верхней поверхности которой расположена излучающая пластина, выполненная симметричной формы относительно ее центральной оси и имеющая по контуру 2n сквозных вырезов, где n=1, 2, 3…, со щелями, выходящими на край пластины, а емкостные элементы укреплены в вышеназванных щелях и образуют вместе с вырезами метаматериал.
Предпочтительно, чтобы излучающая пластина была выполнена любой из известных симметричных форм, например круглой, квадратной, многоугольной, а вырезы пластины были выполнены также симметричной формы, например, круглой, ромбовидной, квадратной, многоугольной..
Предпочтительно вырезы пластины выполнить одинаковой площади.
n+1
n
n+1
n
Предпочтительно вырезы, расположенные на одной оси пластины по или против часовой стрелки от штыря связи, выполнить площадью S, большей, чем площадь S остальных вырезов, при этом угол разворота относительно штыря связи составляет соответственно +(45±5)° или -(45±5)°, а соотношение площадей вырезов определяют из зависимости S/S=1,1±0,05.
Целесообразно, чтобы антенна имела высокочастотный разъем, соединяющий штырь с линией питания.
На фиг.1 представлен общий вид МПА с метаматериалом.
На фиг.2 - варианты топологий печатной платы.
На фиг.3 - эквивалентная схема МПА с метаматериалом.
На фиг.4 - фотография предложенной антенны.
На фиг.5 - коэффициент стоячей волны (КСВ) входов антенного элемента.
На фиг.6 - диаграммы направленности (ДН) микрополосковой антенны на частоте 1600 МГц.
На фиг.7 - азимутальная зависимость поля излучения для частоты 1600 МГц.
Микрополосковая антенна включает излучающую пластину 1, выполненную симметричной формы относительно ее центральной оси и имеющую по контуру 2n сквозных вырезов 2, где n=1, 2, 3…, со щелями, выходящими на край пластины 1 и емкостные элементы 3, укрепленные в вышеназванных щелях, и образующими вместе с вырезами 2 метаматериал (фиг.1).
Антенна также содержит диэлектрическую подложку 4, проводящий экран 5 и штырь связи 6, соединяющий пластину с линией питания.
Излучающая пластина расположена на диэлектрической подложке 4, под которой установлен экран 5.
Возможные варианты топологий антенного элемента представлены на фиг.2. Излучающая пластина 1 антенны выполнена любой из известных симметричных форм, например круглой, квадратной, многоугольной.
Элементы запитки представляют собой высокочастотный разъем (на фиг.1 не показан) и штырь 6. Штырь 6 одним концом присоединяется к разъему, а другим концом - к излучающей пластине 1. Место подключения штыря 6 к пластине выбирается из условия получения входного сопротивления, равного 50 Ом на центральной частоте диапазона. Это расстояние от центра пластины 1 составляет примерно треть от половины ее размера.
Проводящий экран 5 служит для создания преимущественно однонаправленного излучения (приема) микрополосковой антенны.
Вырезы 2 пластины 1 выполнены симметричной формы, например круглой, ромбовидной, квадратной, многоугольной, и могут иметь как одинаковую площадь, так и различную.
Для обеспечения излучения поля круговой поляризации вырезы 2 в пластине 1 выполняются неодинаковыми, а их расположение относительно элементов питания должно быть строго фиксировано.
Для правополяризованного поля вырезы 2, расположенные на одной оси по часовой стрелке от штыря 6 пластины 1, должны быть несколько больше по площади относительно остальных вырезов 1, а угол разворота относительно точки питания должен составлять +(45±5)°.
Для левополяризованного поля вырезы 2, расположенные на одной оси против часовой стрелки от точки питания пластины 1, должны быть несколько больше по площади относительно остальных вырезов 2, а угол разворота относительно точки питания должен составлять -(45±5)°.
n+1
n
Величина отличия площади увеличенных вырезов, как и их точное расположение в пределах заданного интервала углов, определяется параметрами диэлектрической проницаемости подложки 4 - ее толщиной и значением диэлектрической проницаемости. Эти величины определяются численным путем. Проведенные численные исследования различных конфигураций излучающей пластины, характерные результаты которых приведены в таблице для различных значений диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки и ее толщины, показали, что соотношение площадей вырезов можно определить из зависимости S/S=1,1±0,05.
Таблица
Форма излучающей пластины
ε подложки
Высота подложки
Sn+1/Sn
квадратная
20
6 мм
1,05
квадратная
16
6 мм
1,08
октаэдр
9,5
3 мм
1,15
круглая
20
6 мм
1,05
квадратная
3,6
3 мм
1,15
Принцип работы микрополосковой антенны хорошо известен и состоит в том, что при подаче высокочастотного сигнала на вход антенны в ней возбуждаются высокочастотные колебания определенного типа, а излучение осуществляется за счет поля, «выступающего» из кромок антенны, а именно из зазоров между излучающей пластиной 1 и экраном 5.
В пластине 1 возможно возбуждение множества типов колебаний (мод), но только самая низшая из них формирует осевую ДН, высшие типы колебаний дают тороидальные ДН с провалом в осевом направлении. Низшими типами колебаний для простейших видов излучающей пластины 1 являются: мода ТМ10 для прямоугольного, мода ТМ11 для круглого излучателя. Для согласования пластины 1 с питающим штырем 6 точку его подключения (точку питания) необходимо совместить с точкой, в которой входное сопротивление равно 50 Ом на центральной частоте диапазона. В рабочем диапазоне частот входное сопротивление становится комплексным, а диапазон согласования по заданному значению КСВ тем шире, чем толще диэлектрическая подложка 4.
1
1
В рассматриваемой микрополосковой антенне излучающая пластина 1 выполнена по типу композитной кольцевой левовинтовой (векторы Е, Н, k образуют левую тройку векторов) передающей линии, образованной сосредоточенными емкостями C и индуктивностями L вырезов пластины 1.
1
1
1
Сосредоточенные емкости C и индуктивности L образуют метаматериал, который может быть представлен в виде эквивалентной CL-цепочки [фиг.3]. Через пластину 1 индуктивности L защунтированы на основание антенны посредством большой емкости, образованной пластиной 1 и экраном 5.
Включение метаматериала по периметру излучающей пластины 1 уменьшает ее габариты без уменьшения эффективности излучения.
г
Исходя из вышеописанных принципов была рассчитана и спроектирована навигационная антенна ГЛОНАСС/GPS (фиг.4). В конструкции излучающей пластины 1 применена керамика МТ16 с ε=16. Ее размеры составили 18 мм × 18 мм × 6 мм, а размеры экрана 5-19 мм × 19 мм
Экспериментальные характеристики этой антенны приведены на фиг.5-7.
Из приведенных данных видно, что антенна имеет широкую ДН, что крайне важно для навигационной антенны. Азимутальная зависимость поля излучения в дальней зоне имеют симметричную форму.