СПОСОБ СОЗДАНИЯ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА И УСТРОЙСТВО, РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ЭТОТ СПОСОБ
METHOD OF CREATING MICROSTRIP ANTENNAE OF METRE RANGE AND DEVICE THEREFOR

Назначение
Изобретение относится к радиотехнике, а именно к микрополосковым антеннам метрового диапазона. Может быть использовано в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, в частности на космических аппаратах.
Уровень техники
Микрополосковые антенны, изготовляемые по технологии интегральных схем, широко используются в различных радиоэлектронных системах. Данный тип антенн обеспечивает высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры, массу. Микрополосковые антенны способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, допускают удобные решения для обеспечения работы в двух- или многочастотных режимах и т.д. [Панченко Б.Α., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь. 1986. 144 с.].
При разработке бортовых антенн особое внимание уделяется размещению их на поверхности космического аппарата, что, в свою очередь, накладывает жесткие ограничение по массогабаритным показателям антенн [Бочаров B.C., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Особенности бортовых антенно-фидерных устройств космических аппаратов. Материалы научно-технического семинара "Перспективы развития антенно-фидерных устройств летательных аппаратов". - Истра: ОАО "НИИЭМ". 2013. С. 55-58]. Особенно это важно при разработке бортовых антенн для использования в составе антенной системы малых космических аппаратов.
При создании микрополосковых антенн сантиметрового диапазона (от 0,1 м до 0,03 м) габариты таких антенн приемлемы для их применения в качестве бортовых антенн космических аппаратов (примерно от 0,03 м до 0,015 м), а величина диэлектрической проницаемости не вносит существенного влияния на изменение габаритов.
2
По-другому вопрос обстоит при создании микрополосковых антенн метрового диапазона (от 1 м до 10 м). Габариты антенн в этом диапазоне составляют примерно от 0,4 м до 2,5 м. Как известно, габариты малых космических аппаратов составляет примерно площадь в 1 м (1 м*1 м).
Поэтому применение микрополосковых антенн метрового диапазона с такими габаритами не приемлемо для их применения в качестве бортовых антенн малых космических аппаратов.
Габариты микрополосковой антенны рассчитываются по следующим формулам [Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. Нефедов Е.И. - М.: Издательский центр «Академия», 2010. 320 с.]:
ширина излучателя w:
p
где c - скорость света; f - резонансная частота излучения; ε - диэлектрическая проницаемость подложки;
длина излучателя L:
эфф
где ε - эффективная диэлектрическая проницаемость.
В свою очередь, эффективная диэлектрическая проницаемость определяется следующим соотношением:
где h - толщина подложки.
Габариты антенн зависит от нескольких параметров, меняя значения которых можно добиться уменьшения габаритных размеров. Так в работе [Петров А.С. Оценка характеристик миниатюрных печатных антенн. Антенны. 2013. Выпуск 3 (190). С. 22-29] описан способ укорочения антенн за счет увеличения диэлектрической проницаемости подложки. В работе [Чебышев В.В. Микрополосковые антенны в многослойных средах. - М.: Радиотехника, 2007, 160 с.] описан способ укорочения антенн за счет увеличения толщины и материала (а значит, коэффициента диэлектрической проницаемости) подложки.
Недостатком данных способов является то, что с увеличением значения диэлектрической проницаемости подложки растет добротность антенны, а, следовательно сужается полоса рабочих частот; а увеличение толщины антенны несет за собой конструктивные сложности размещения и увеличение массогабаритных показателей.
Другие способы описаны в работе [Бойко С.Н., Косякин С.В., Кухаренко А.С., Яскин Ю.С. Миниатюризация антенных модулей навигационной аппаратуры спутниковых навигационных систем. Антенны. 2013. Выпуск 12 (199) С. 38-43]. В частности предложено использование многосвязных структур и формирование в металлизации антенного элемента вырезов (щелей).
Недостатком данного способа является усложнение конструктива антенны и сложность ее изготовления.
Еще один способ, использующий продольную свертку топологии антенны для миниатюризации габаритов, описан в работе [Банков С.Е., Давыдов А.Г., Папилов К.Б. Малогабаритные печатные антенны круговой поляризации // Журнал радиоэлектроники. 2010. №8. С. 1-27].
Недостатком данного способа является сложность исполнения.
В качестве прототипа выбран способ создания миниатюрной антенны за счет использования многослойной структуры подложки (патент РФ на полезную модель №133655), которое предлагает применение не менее трех слоев диэлектрической подложки, причем все слои должны быть согласованы по волновому сопротивлению. Общая толщина слоев должна быть равной четверти длины волны излучения, а каждый слой выполнен с уменьшающимся от плоскости экрана к плоскости излучателя волновым сопротивлением. Этот способ обеспечивает работу антенны в широком диапазоне частот при габаритных размерах, меньших длины волны.
Недостатком данного способа является его сложность применения из-за многослойности структуры подложки и необходимости согласования волнового сопротивления между слоями.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение способа создания миниатюрных микрополосковых антенн метрового диапазона.
Раскрытие изобретения
Для удобства анализа, перепишем приведенные выше формулы (1) и (2) через длину рабочей волны исходя из соотношения c=λ*f (где λ - длина волны):
При анализе формул (4) и (5) видно, что минимизация габаритов антенн возможна за счет увеличения значения диэлектрической проницаемости ε. В настоящий момент существует широкая линейка материалов (ФЛАН, ФАФ-4Д, брикор АА, поликор, стеклотекстолит фольгированный, СФВЧ и др.), которые можно использовать в качестве материала подложки микрополосковых антенн. Значение ε в пределах от 2,8 до 32.
-3
-5
Однако необходимо учитывать, что значительное увеличение значения диэлектрической проницаемости материала подложки значительно повышает концентрацию электрического поля ближней зоны антенны, что приводит к низкой интенсивности излучения из-за большого реактивного поля и узкой полосы пропускания, а это является существенным недостатком. Целесообразно использовать оптимальный диапазон значений ε от 8 до 16. Также необходимо учитывать тот факт, что немаловажную роль играет такой параметр материала подложки, как тангенс угла диэлектрических потерь tgδ. Этот параметр влияет на кпд антенны, и его оптимальное значение должно находиться в диапазоне (10…10).
-3
-5
Таким образом, учитывая вышесказанное, в качестве материала подложки микрополосковой антенны метрового диапазона целесообразно использовать металлизированный диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε (8…16) и тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ (10…10).
При выборе толщины диэлектрика h нужно исходить из предъявляемых требований по электрическим и механическим параметрам к бортовым антенно-фидерным устройствам космических аппаратов. В данном случае оптимально использовать толщину антенны h в пределах (0,1-0,01) λ. С помощью данного варианта габариты антенн составят от 0,3 м до 2,3 м.
Но тем не менее из полученных результатов видно, что применение полуволновых микрополосковых антенн метрового диапазона также не приемлемо в качестве бортовых антенн малых космических аппаратов из-за полученных габаритов.
Поэтому предложен вариант построения закороченных микрополосковых антенн метрового диапазона, который позволяет разрабатывать четвертьволновые микрополосковые антенны метрового диапазона. Как известно [Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Антенны и устройство СВЧ / под редакцией Д.И. Воскресенского. Изд. 3-е. М.: Радиотехника. 2008], четвертьволновые антенны имеют меньшие габариты по сравнению с полуволновыми антеннами.
Учитывая вариант построения закороченных микрополосковых антенн, формулы (4) и (5) преобразуются:
Т.е. при сравнении формул (6) и (7) с формулами (4) и (5) очевидно, что линейные размеры закороченной четвертьволновой микрополосковой антенны примерно в два раза меньше, чем у полуволновой микрополосковой антенны.
Итак, предлагается способ миниатюризации микрополосковых антенн метрового диапазона, который заключается в создании четвертьволновой антенны с научно-экспериментально подобранными оптимальными электрическими характеристиками.
Сущность изобретения заключается в применении закорачивания излучателя в структуре микрополосковой полуволновой антенны метрового диапазона, создаваемой на базе металлизированного диэлектрика, для получения четвертьволновой антенны. При этом подбирают материал диэлектрической подложки с оптимальными характеристиками (диэлектрической проницаемостью ε и тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ), а также толщину диэлектрика h.
Использование данного способа миниатюризации позволит создавать микрополосковые антенны с габаритами от 0,18 м до 1,1 м, а также обеспечит высокие показатели по энергетическим параметрам антенны (коэффициент стоячей волны, диаграмма направленности, коэффициент усиления, кпд, полоса пропускания и т.д.).
Предложенный способ позволит упростить миниатюризацию микрополосковых антенн метрового диапазона и уменьшить ее линейные габариты примерно в два раза.
Устройство, реализующее предлагаемый способ создания микрополосковых антенн метрового диапазона, может быть выполнено, например, в виде микрополосковой антенны, содержащей металлизированную диэлектрическую подложку в форме параллелепипеда, на верхней плоской стороне которой размещен плоский излучатель в форме металлического прямоугольника определенного размера (нижняя сторона подложки - полностью металлизирована). В конструкцию антенны введен короткозамыкатель, расположенный на одном торце подложки (другие торцы - свободны от металла). Точка запитки антенны (от внешнего коаксиального кабеля) расположена на излучателе в определенном месте, где выполнено отверстие в толще диэлектрической подложки для подвода кабеля или высокочастотного соединителя (разъема) снизу с последующим подсоединением к точке запитки на металлической поверхности излучателя.
Уменьшение габаритов антенны достигается благодаря использованию короткозамыкателя, выполненного в виде закорачивающей пластины на одном из торцов диэлектрической подложки, который позволяет создать вместо полуволновой микрополосковой антенны четвертьволновую микрополосковую антенну при сохранении заданных энергетических параметров. Место точки запитки антенны подбирается экспериментально в процессе настройки на резонансную (рабочую) частоту для обеспечения минимально возможного значения коэффициента стоячей волны на резонансной (рабочей) частоте антенны и широкой полосы рабочих частот с приемлемым значением коэффициента стоячей волны.
Перечень чертежей
Фиг. 1. 3-D модель микрополосковой антенны метрового диапазона.
Фиг. 2. График зависимости коэффициента стоячей волны 3-D модели микрополосковой антенны метрового диапазона.
Фиг. 3. График зависимости диаграммы направленности 3-D имикрополосковой антенны метрового диапазона.
Фиг. 4 График зависимости коэффициента усиления 3-D модели микрополосковой антенны метрового диапазона.
Осуществление изобретения
-3
-5
Способ реализуется следующим образом. Берут металлизированный диэлектрик, толщина которого подобрана с учетом соотношения h=(0,1…0,01)*λ, где λ - длина рабочей волны антенны. На одной плоской стороне диэлектрика с помощью печатных технологий, например методом фотолитографии, вытравливают излучатель в виде прямоугольника, касающегося одной пары смежных краев подложки, другую плоскую сторону не трогают. Торцы также вытравливают таким образом, что на одном из них остается металлический слой в виде металлической стенки, которая становится короткозамыкателем излучателя на нижний металлический слой подложки. В качестве диэлектрика используют СВЧ-материал с большим значением коэффициента диэлектрической проницаемости ε в переделах от 8 до 16 и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ в пределах от 10 до 10.
На фиг. 1 представлена конструктивная схема патентуемого устройства.
Микрополосковая антенна состоит из излучателя 1 прямоугольной формы, расположенного на металлизированной диэлектрической подложке 2, имеющей форму параллелепипеда. Короткозамыкатель 3 расположен на одном боковом торце антенны. Запитка антенны осуществляется с помощью коаксиального кабеля или высокочастотного соединителя в точке запитки 4. Место точки запитки 4 подбирается экспериментально. Фиг. 2. График зависимости коэффициента стоячей волны 3-D модели микрополосковой антенны метрового диапазона, где по оси абсцисс отложена частота в МГц, а по оси ординат значение коэффициента стоячей волны б/р. Как правило, к коэффициенту стоячей волны бортовых антенн космических аппаратов предъявляется требование, которое заключается в ограничении этого параметра не более 2. Как видно из представленного графика, что рабочей частотой модели антенны является 150 МГц, что соответствует метровому диапазону волн, а значение коэффициента стоячей волны на рабочей частоте 150 МГц составляет 1,1 и не превышает заданного предела, равного 2 в диапазоне частот (примерно ±2 МГц).
Фиг. 3. График зависимости диаграммы направленности 3-D модели микрополосковой антенны метрового диапазона, где по оси абсцисс отложено значение угла в градусах, а по оси ординат - значение напряженности поля Ε в дБ. Как правило, к диаграмме направленности бортовых антенн космических аппаратов предъявляется требование, которое заключается, в зависимости от целевой задачи антенной системы, в ее ширине. Как видно из представленного графика, диаграмма направленности имеет преимущественное направление на центр Земли (излучение вдоль оси абсцисс), а также обеспечивает излучение в пределах ±45°, т.е. достаточно широкое.
Фиг. 4 График зависимости коэффициента усиления 3-D модели микрополосковой антенны метрового диапазона, где по оси абсцисс отложены значение угла в градусах, а по оси ординат - значение коэффициента усиления в дБ. Как правило, к коэффициенту усиления бортовых антенн космических аппаратов предъявляется требование, которое заключается, в зависимости от целевой задачи антенной системы, в получении максимально возможного коэффициента усиления для обеспечения более качественной и уверенной передачи данных. Как видно из представленного графика, коэффициент усиления модели в направлении центра Земли составляет порядка 1,2 дБ (усиление вдоль оси абсцисс), а усиление в пределах ±45° составляет примерно 0,6 дБ, т.е. данная модель антенны обладает хорошим коэффициентом усиления.
-3
-5
Итак, способ создания микрополосковых антенн метрового диапазона с минимальными габаритами реализуется с помощью введения в конструкцию антенны короткозамыкателя, выполненного в виде закорачивающей стенки, и в применении в качестве материала подложки металлизированного диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε в переделах от 8 до 16 и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ в пределах от 10 до 10 и толщиной (0,1…0,01)*λ.
С помощью системы автоматизированного проектирования Electromagnetic Professional (EMPro), для проектирования антенн и устройств СВЧ, было осуществлено электродинамическое моделирование модели микрополосковой антенны метрового диапазона с круговой поляризацией. Для моделирования были использованы следующие входные данные:
- материал диэлектрика - фольгированный арилокс листовой наполненный (ФЛАН);
- значение диэлектрической проницаемости ε б/р - 10;
-3
- значение тангенса диэлектрических потерь tgδ б/р - 1,5 10;
- толщина подложки - 20 мм;
- запитка антенны осуществлялась с помощью штыря, который проходил через диэлектрик и соединялся с излучателем;
- метод моделирования - метод конечных элементов;
- габариты модели антенны - 220*165*20 мм.
Предлагаемый способ создания микрополосковых антенн метрового диапазона позволяет создать миниатюрную простую в исполнении антенну метрового диапазона с высокими показателями по энергетическим характеристикам.
Описание работы антенны
По внешнему коаксиальному кабелю происходит запитка антенны в точке запитки 4. Данное месторасположение точки запитки, подобранное экспериментальным путем, осуществляет возбуждение двух ортогональных вырожденных типов колебаний в одной точке. Излучение энергии излучателя 1, расположенного на диэлектрической подложке 2, в пространство осуществляется торцами антенны за исключением того торца, который закрыт металлической стенкой - короткозамыкателем 3.