ЩЕЛЕВАЯ СВЧ АНТЕННА

Заявляемая полезная модель относится к области радиотехники, в частности к СВЧ антеннам, и может быть использована в радиоприемных и радиопередающих устройствах систем радиолокации и связи, например Wi-Fi, для приема широкополосных радиосигналов либо множества узкополосных радиосигналов, распределенных в широкой полосе частот, например в системах радиомониторинга.
Известно большое количество конструкций широкополосных антенн СВЧ диапазона. Из всех возможных конструкций простотой исполнения и широкими рабочими диапазонами частот отличаются печатные щелевые антенны. Такие антенны описаны во множестве источников, например, в журналах Antennas and Propagation 1994, v. 42, N5, p. 633; Экспресс-информация. Радиотехника сверхвысоких частот, г. Москва. №37. 1980, стр. 37; авторских свидетельствах СССР SU 1029280 А1 от 15.07.83, SU 1818647 А1 от 30.05.1993; патентах US 4879562 А 07.11.1989, WO 03030300 А 10.04.2003; российском патенте RU 2269187 от 27.01.2006. Эти антенны имеют диэлектрическую подложку с металлизацией на верхней стороне, в которой выполнен щелевой излучатель (излучатель Вивальди) в виде щелевой линии вначале с однородным участком с постоянным зазором, который далее расширяется по экспоненциальному закону  где Y - половинная ширина зазора щелевой линии, x - координата, совпадающая с продольной осью щелевой линии и имеющая точку отсчета от конца однородного участка щелевой линии,  - коэффициент определяющий широкополосность антенны. Как показано в работах Antennas and Propagation 1994, v. 42, N5, p. 633, Э.И. Радиотехника сверхвысоких частот, г. Москва. №37. 1980, стр. 37 наибольшая широкополосность достигается при значении  Такое выполнение щелевой антенны делает ее потенциально сверхширокополосной.
Все приведенные выше антенны в основном отличаются устройством возбуждения электромагнитной волны в щелевой линии. Это устройство должно выполнять функции согласования и симметрирования возбуждающего СВЧ радиосигнала в широкой полосе частот. Именно это устройство и определяет широкополосность антенны и потери в ней. Как правило, для возбуждения и симметрирования щелевой линии используют двусторонний переход щелевая линия - микрополосковая линия. Такое решение ограничивает рабочую полосу частот, т.к. по своей сути этот переход является резонансным. Более широкополосным является устройство согласования и симметрирования в виде одностороннего перехода щелевая линия - копланарная линия, однако в этом случае в устройстве имеются потери сигнала в 3дБ.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели является антенное устройство, описанное в патенте RU 2269187 от 27.01.2006.
Известная СВЧ щелевая антенна содержит диэлектрическую подложку с металлизацией на верхней стороне, в которой выполнен щелевой излучатель в виде щелевой линии, имеющей однородный участок с постоянной шириной зазора, который далее расширяется по экспоненциальному закону, а также возбуждающую однородный участок щелевой линии копланарную линию, одним из зазоров которой является однородный участок щелевого излучателя, а второй зазор нагружен ферритовым кольцом, установленным у короткозамкнутого конца копланарной линии.
Известная СВЧ щелевая антенна работает следующим образом. При подведении от источника СВЧ сигнала энергии к центральному проводнику копланарной линии, в ней возбуждается квази-ТЕМ волна, распространяющаяся вдоль щелей между центральным проводником копланарной линии и металлизацией верхнего слоя. Половина энергии квази-ТЕМ волны, сосредоточенная, в основном, в первом зазоре, возбуждает однородный участок щелевой линии излучателя и далее щелевую линии с расширяющейся щелью и излучается в пространство, а вторая половина энергии квази-ТЕМ волны, сосредоточенная, в основном, во втором зазоре, выделяется в ферритовом кольце. С помощью такого способа возбуждения щелевого излучателя осуществляется его согласование и симметрирование возбуждения.
Ключевым недостатком описанного антенного устройства является низкий коэффициент усиления, связанный с тем, что у антенны только половина энергии возбуждающей квази-ТЕМ волны поступает в щелевой излучатель и излучается в пространство, а вторая половина поглощается в ферритовом кольце. Это приводит к тому, что результирующий коэффициент усиления антенны уменьшается по крайней мере в два раза (на -3дБ). Характеристики феррита и эффективность поглощения в нем СВЧ сигнала являются сильно частотно зависимыми. Ферриты, эффективно работающие на сверхвысоких частотах, имеют небольшую магнитную проницаемость μ и ее значения составляет единицы. В то время как на более низких частотах для эффективной работы ферритового кольца и поглощения сигнала μ должна быть выше и ее значения составляет несколько десятков. Таким образом, ферритовое кольцо, как устройство поглощения части энергии квази-ТЕМ волны, принципиально будет ограничивать рабочую полосу частот антенны. Кроме того такая антенна является в азимутальной плоскости практически направленной только в 90-120° секторе, в то время как, от широкополосных СВЧ антенн во многих системах требуются антенны с круговой или, по крайней мере, близкой к ней диаграммой направленности.
Технической задачей, решаемой в предлагаемой полезной модели, является создание широкополосной СВЧ антенны с увеличенным коэффициентом усиления, у которой будут отсутствовать потери половины энергии возбуждающего сигнала и отсутствовать влияние на частотные свойства ферритового балластного устройства, а диаграмма направленности в азимутальной плоскости будет близка к всенаправленной, т.е. иметь 360° угловую ширину.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что заявляемая полезная модель, также как и описанная выше щелевая СВЧ антенна, содержит диэлектрическую подложку с нанесенной металлизацией на верхней стороне, в которой выполнен щелевой излучатель в виде отрезка однородной щелевой линии с постоянным зазором, далее расширяющейся по экспоненциальному закону, возбуждающую упомянутый излучатель копланарную линию, один из зазоров которой совмещен с зазором однородного отрезка щелевой линии излучателя и имеет с ним одинаковую ширину
Но, в отличие от известного устройства, в металлизации заявляемой СВЧ антенне на верхней стороне подложки выполнен второй щелевой излучатель, идентичный первому, расположенный на одной оси с ним и направленный в обратную сторону, при этом однородные участки щелевых линий излучателей и возбуждающая копланарная линия соединены под прямым углом, второй зазор копланарной линии совмещен с зазором однородного участка щелевой линии второго излучателя и имеет с ним одинаковую ширину, а на нижнем слое подложки под центральным проводником и зазорами копланарной линии нанесена металлизация, соединенная с металлизацией верхнего слоя с помощью металлизированных отверстий, проходящих сквозь подложку.
Достигаемым техническим результатом, является увеличение результирующего коэффициента усиления антенны и получении близкой к круговой диаграммы направленности в азимутальной плоскости. Это достигается тем, что половина энергии квази-ТЕМ волны в возбуждающей копланарной линии, сформированной центральным проводником и зазорами на верхней стороне и металлизацией под ними на нижней стороне диэлектрической подложки, причем металлизация на нижней стороне соединена с помощью металлизированных отверстий связи с металлизацией верхней стороны подложки, поступает в первый излучатель, а вторая половина - во второй щелевой излучатель и обе половины излучаются из-за идентичности излучателей и возбуждения щелевых линий в фазе в пространство, где они складываются без потерь половины энергии сигнала.
Совокупность признаков, сформулированная в п. 2 формулы характеризует щелевую СВЧ антенну, в которой ширины зазоров однородных отрезков щелевых линий обеих излучателей и ширина центрального проводника возбуждающей копланарной линии выбраны из условия, чтобы волновое сопротивление возбуждающей копланарной линии было в два раза меньше волновых сопротивлений отрезков однородных щелевых линий обеих излучателей.
Достигаемый технический результат по п. 2 состоит в том, что энергия квази-ТЕМ волны поровну и в фазе поступает в оба излучателя без отражения к источнику возбуждающего сигнала, поскольку однородные отрезки щелевых линий обеих излучателей подключены к возбуждающей копланарной линии по высокой частоте параллельно, а волновое сопротивление возбуждающей копланарной линии в два раза меньше, чем волновые сопротивления однородных участков щелевых линий излучателей, которые являются продолжением зазоров возбуждающей копланарной линии.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 схематически показана топология проводников СВЧ антенны на слоях диэлектрической подложки, где заштрихованными участками показана металлизация на верхней стороне диэлектрической подложки, шрих-пунктиром - металлизация на нижней стороне диэлектрической подложки, сплошными кружочками обозначены металлизированные отверстия электрической связи, проходящие через слой подложки и связывающие металлизацию верхнего и нижнего слоев. На фиг 2 приведена диаграмма направленности антенны в азимутальной плоскости, полученная моделированием в пакете CST Studio Suite.
Заявляемая щелевая СВЧ антенна содержит диэлектрическую подложку 1 (фиг. 1), однородный участок щелевой линии первого излучателя 2, расширяющийся по экспоненциальному закону участок щелевой линии первого излучателя 3, первый зазор возбуждающей копланарной линии 4, совмещенный с зазором однородного отрезка щелевой линии первого излучателя 2 и имеющий с ним одинаковую ширину, однородный участок щелевой линии второго излучателя 5, расширяющийся по экспоненциальному закону участок щелевой линии второго излучателя 6, второй зазор возбуждающей копланарной линии 7, совмещающийся с однородным участком щелевой линии второго излучателя 5 и имеющий с ним одинаковую ширину, центральный проводник копланарной линии 8, возбуждающий копланарную линию порт 9, металлизацию нижней стороны диэлектрической подложки 10, металлизированные отверстия электрической связи, проходящие через слой подложки и связывающие металлизацию на верхней и нижней сторонах подложки 11. Возбуждающая копланарная линия, состоящая из проводника 8, зазоров 4 и 7, металлизации нижнего слоя 10 и металлизированных отверстий 11, проходящих через подложку, представляет копланарную линию с заземленным экраном.
Заявляемая щелевая СВЧ антенна работает следующим образом. СВЧ сигнал с порта 9 возбуждает в копланарной линии с зазорами 4, 7 и центральным проводником 8, квази-ТЕМ волну, у которой вектор электрического поля направлен от (или к в зависимости от фазы колебания) центрального проводника 8 к металлизации верхнего слоя подложки. Половина энергии квази-ТЕМ волны, сосредоточенная в основном в первом зазоре 4, возбуждает однородный участок щелевой линии 2 первого излучателя и далее щелевую линии с расширяющейся щелью 3 и излучается в пространство, а вторая половина энергии квази-ТЕМ волны, сосредоточенная в основном во втором зазоре 7, возбуждает однородный участок щелевой линии 5 второго излучателя и далее участок щелевой линии с расширяющейся щелью 6 и также излучается в пространство. Поскольку оба излучателя идентичны друг другу, а возбуждающие их СВЧ сигналы поступают на них в фазе из-за равенства длин зазоров 4 и 7 и однородных отрезков щелевых линий 2 и 5, то также будет происходить и их излучение в пространство. В результате их диаграммы направленности складываются, а поскольку каждая из имеет сектор излучения близкий к 180°, то суммарная диаграмма направленности в азимутальной плоскости будет близка к круговой, что подтверждается диаграммой направленности заявляемой щелевой СВЧ антенны в азимутальной плоскости, полученный моделированием в пакете CST Studio Suite на частоте 6ГГц, показанной на фиг. 2.
Волновое сопротивление возбуждающей копланарной линии с заземленным экраном, состоящей из проводника 8, зазоров 4 и 7, металлизации нижнего слоя 10 в широких пределах изменяется при изменении ширины проводника 8 при различных ширинах зазоров 4 и 7. Подбором ширины центрального проводника возбуждающей копланарной линии 8 ее волновое сопротивление выбирается в два раза меньшим, чем волновые сопротивления однородных отрезков щелевых линий обеих излучателей 3 и 5, чтобы не было отражений сигнала к возбуждающему порту 9. Поскольку отрезки однородных щелевых линий 2 и 5 подключены к возбуждающей копланарной линии 8 по высокой частоте параллельно, а ширины зазоров 3, 4, 5 и 7 выбраны одинаковыми, чтобы не было электрических неоднородностей, то вся энергия возбуждающего сигнала от порта 9 поступит в равных долях в отрезки однородных щелевых линий излучателей 2 и 5, далее в экспоненциально расширяющиеся линии 3 и 6 и будет в фазе излучена в пространство. Отражения сигнала к возбуждающему СВЧ антенну порту не будет и ее коэффициент усиления увеличится.
В предлагаемой в заявке щелевой СВЧ антенне зазоры возбуждающей копланарной линии переходят в зазоры однородных отрезков щелевых линий двух противонаправленных идентичных щелевых излучателей без электрических неоднородностей и, если волновое сопротивление возбуждающей линии в два раза меньше волновых сопротивлений однородных отрезков щелевых линий излучателей, то вся энергия поступившая из порта будет без отражений поступать в излучатели и излучаться в пространство. При этом из-за отсутствия балластного устройства результирующий коэффициент усиления СВЧ антенны будет в два раза выше, чем у прототипа. Таким образом, устройство симметрирования и согласования в заявляемой СВЧ антенне не имеет потерь половины энергии сигнала и будет иметь широкую рабочую полосу частот, ограничиваемую только дисперсионными свойствами щелевых линий передачи на сравнительно низких частотах. Два противонаправленных идентичных щелевых излучателя, возбуждаемых синфазно и равноамплитудно формируют в азимутальной плоскости диаграмму направленности близкую к круговой.