МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЁТКА Q-ДИАПАЗОНА
Q-RANGE MICROBAND ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к печатным антеннам, и предназначено для использования в качестве облучателя параболической антенны для мобильных терминалов спутниковой связи и в других широкополосных приемо-передающих устройствах.
Известна конструкция печатной антенной решетки для передачи информации в миллиметровом диапазоне частот, описанная в патенте [US 7675466 В2 от 09.03.2010 г.], в которой используются связанные линии для распределения энергии между излучающими элементами и подводящей линией.
Недостатками известной конструкции являются узкая полоса рабочих частот и высокие требования к точности обеспечения малых зазоров между проводниками для получения заданного значения коэффициента связи по напряжению, что усложняет технологию изготовления антенны.
Известна конструкция печатной антенной решетки [US 9391375 В1 от 12.07.2016 г.] с щелевым методом возбуждения печатных излучателей.
Недостатком известной конструкции являются узкая полоса рабочих частот и дополнительное паразитное влияние подводящих линий -добавленная емкость, создаваемая в диэлектрике между полосковым излучателем, слоями с зазором и подводящими линиями.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является антенная решетка [SU 1756992 А1 от 23.11.1989 г.], предназначенная для передачи сигналов линейной поляризации и содержащая диэлектрическую подложку, с одной стороны которой расположен металлический экран, с другой - микрополосковый делитель мощности и прямоугольные полосковые излучатели.
Недостатком прототипа является узкая полоса рабочей частоты, ограничиваемая не только полосой пропускания использованных излучающих элементов, но и распределяющей линии.
Задачей изобретения является формирование направленных характеристик (ширины диаграммы направленности, коэффициента усиления, направления максимума излучения) не хуже, чем у рупорных антенн, выполняющих роль облучателей параболического зеркала, снижение габаритных размеров и расширение полосы рабочих частот.
Технический результат достигается за счет того, что в микрополосковую антенну, представляющую собой антенную решетку в печатном исполнении, в которую введены функционально и конструктивно связанные и выполненные с оригинальной геометрией печатного рисунка активные излучатели, а также двухступенчатый делитель мощности, образующий несимметричную микрополосковую линию и пассивные (паразитные) излучатели, при этом восемь активных излучателей в виде прямоугольных металлических пластин имеют по четыре выреза, которые совместно с параллельными им внешними сторонами активных излучателей создают электромагнитное излучение, а у каждого активного излучателя размещен пассивный излучатель в виде прямоугольной металлической пластины таким образом, чтобы между ними была боковая (емкостная) связь; делитель мощности состоит из Т-образного первичного делителя, осуществляющего первоначальное деление мощности сигнала, четвертьволновых трансформаторов волнового сопротивления и двух симметрично расположенных друг относительно друга и параллельно соединенных Т-образных вторичных делителей, обеспечивающих передачу сигнала от плеч первого делителя на каждый активный излучатель, и которые с питающей линией являются связующим звеном между активными излучателями и входным портом, а возбуждение активных излучателей осуществляется за счет их непосредственной связи с делителем мощности. При этом СВЧ-сигнал подается через входной разъем антенны на питающую линию и поступает на вход первичного делителя, из которого подается через четвертьволновые трансформаторы на плечи двух вторичных делителей и поступает на активные излучатели, где происходит возбуждение электрического поля в зазорах активных излучателей, что обеспечивает сонаправленное протекание эквивалентного тока вдоль каждой из сторон антенны, параллельных вырезам, и возбуждение электромагнитной волны шестью участками протекания тока в каждом активном излучателе. Токи, протекающие по краям активных излучателей, с помощью емкостной связи через зазор создают индукционные токи проводимости на параллельных им сторонах пассивных излучателей, действующих как пассивный резонатор, изменяющих форму диаграммы направленности, направляя радиоволны, излучаемые активными излучателями, в один луч, увеличивая направленность антенной решетки. Пассивные излучатели настроены на нижнюю частоту относительно рабочего диапазона антенны и, тем самым, расширяют полосу рабочих частот; кроме того, эффект расширения полосы рабочих частот по сравнению с традиционным, прямоугольной формы, активного излучателя достигается за счет добавления в нем вырезов разной длины.
Микрополосковая антенная решетка Q-диапазона представлена на чертежах:
- фиг. 1 - аксонометрическое схематичное изображение антенны;
- фиг. 2 - вид сверху излучающей стороны антенны;
- фиг. 3 - график зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению от частоты;
- фиг. 4 - диаграмма направленности микрополосковой антенной решетки в H-плоскости в декартовой системе координат;
- фиг. 5 - диаграмма направленности микрополосковой антенной решетки в E-плоскости в декартовой системе координат;
- фиг. 6 - график максимального коэффициента усиления микрополосковой антенной решетки в зависимости от частоты;
Конструкция микрополосковой антенной решетки Q-диапазона изображена на фиг. 1 и 2, где использованы следующие обозначения: 1 - проводящий рисунок; 2 - подложка; 3 - экран; 4 - разъем питания антенны; 5 - питающая линия; 6 - первичный делитель мощности; 7 - вторичный делитель мощности с четвертьволновыми трансформаторами; 8 - активный излучатель; 9 - пассивный излучатель.
Все восемь активных излучателей выполнены в виде прямоугольных микрополосковых антенн, имеющих по четыре выреза (см. фиг. 2), которые совместно с параллельными им внешними сторонами излучателей создают электромагнитное излучение.
B
Ширина активного излучателя, полученная экспериментальным путем, зависит от длины волны в линии λ, рассчитанной на центральной частоте рабочего диапазона:
где  с - скорость света, м/с; fв и fн - верхняя и нижняя границы рабочего диапазона частот; ε - диэлектрическая проницаемость материала подложки.
Длина излучателя рассчитывалась по формуле:
Дополнительно у каждого активного излучателя размещен пассивный излучатель таким образом, чтобы между каждым активным и соответствующим пассивным излучателями была боковая емкостная связь.
Делители с питающей линией являются связующим звеном между активными излучателями и входным портом и выполняют распределение сигнала, поступающего от разъема питания антенны. При этом делители и питающая линия совместно с активными излучателями выполнены в виде несимметричной микрополосковой линии на распространенной в производстве подложке для сверхвысокочастотных печатных плат, например, марки RO4003C толщиной h=0,508 мм, диэлектрической проницаемостью ε=3,55 и тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=0,0027.
Заявленная антенна работает следующим образом. СВЧ-сигнал подается на входной разъем антенны 4, от него через питающую линию 5 поступает на вход первичного делителя мощности 6, распределяясь, проходит через четвертьволновые трансформаторы до выходных плеч двух вторичных делителей 7 и поступает на активные излучатели 8. Происходит возбуждение электрического поля в вырезах активных излучателей, что обеспечивает сонаправленное протекание эквивалентного тока вдоль каждой из внешних сторон антенны, параллельных зазорам активных элементов, и возбуждение электромагнитной волны шестью участками протекания тока в каждом активном излучателе. Токи, протекающие по краям активных излучателей, за счет емкостной связи через зазор создают индукционные токи проводимости на параллельных им сторонах пассивных излучателей 9, действующих как пассивные резонаторы, изменяя форму диаграммы направленности, направляя радиоволны, излучаемые активными излучателями, в один луч, увеличивая направленность антенной решетки. Пассивные излучатели настроены на нижнюю частоту рабочего диапазона антенны и, тем самым, расширяют полосу рабочих частот.
Кроме того, эффект расширения полосы рабочих частот по сравнению с антенной с традиционными прямоугольными (без вырезов) активных излучателей достигается за счет добавления в нем вырезов разной длины.
Как видно на графике зависимости коэффициента стоячей волны (КСВН) по напряжению от частоты (см. фиг. 3), полученного путем электродинамического моделирования с помощью программного продукта CST Suite Studio, потеря мощности в микрополосковой линии не превышает 25% при КСВН ≤ 3 в пределах частот, отмеченных на графике, а на частотах 40 ГГц и 44 ГГц потери ниже 10%. На фиг. 4 изображена диаграмма направленности антенны в H-плоскости в декартовой системе координат, на которой видно, что на частоте 40 ГГц максимум излучения направлен параллельно нормали к плоскости антенны и составляет примерно 11 дБ (главный лепесток), при увеличении частоты происходит образование нескольких максимумов. На фиг. 5 изображена диаграмма направленности в E-плоскости, которая показывает, что направление максимума излучения, величина которого 13,5 дБ, приходится также на нормаль к плоскости антенны. Зависимость максимального коэффициента усиления антенны от частоты, приведенная на графике фиг. 6, показывает, что на частоте 40 ГГц антенна имеет максимальное усиление (что также иллюстрируют графики фиг. 4 и 5).
Общие размеры антенны, полученные экспериментальным путем, составляют: 34,6×30,0×0,578 мм.
Оригинальная форма продольных вырезов активных излучателей обеспечивает излучение на верхней границе рабочего частотного диапазона антенны, внешние боковые грани излучателей создают электромагнитное излучение в нижней границе частотного диапазона.
В заявляемой конструкции микрополосковой антенны возбуждение активных излучателей обеспечивается с помощью несимметричной микрополосковой линии передач, уложенной между активными излучателями, расстояние между центрами которых не превышает 1,1 длины волны излучаемого электромагнитного поля для получения максимального коэффициента усиления по направлению к нормали плоскости антенны, а также - для передачи сигнала в диапазоне частот от 39 ГГц до 46 ГГц с потерями мощности, не превышающими 11% от мощности, подаваемой на разъем антенны в указанном частотном диапазоне (уровень коэффициента стоячей волны по напряжению ниже двух).
Технический результат заключается в достижении направленных характеристик (ширины диаграммы направленности, коэффициента усиления, направления максимума излучения), сравнимых с характеристиками рупорных антенн, выполняющих роль облучателей параболического зеркала, а также в уменьшении габаритных размеров и расширении полосы рабочих частот по сравнению с аналогами.