МИКРОПОЛОСКОВАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА С ДВУСТОРОННЕЙ КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ

Полезная модель относится к антенной и микрополосковой технике, и может быть использована в радиометрии и аппаратуре связи.
Известны микрополосковые и полосковые антенны, различающиеся по конфигурации излучающего элемента - прямоугольные, дисковые, кольцевые, эллиптические, треугольные и др., выполненные на диэлектрических изолированных, экранированных, однослойных или подвешенных подложках [Панченко Б.А, Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986; Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн / Б.А.Панченко, С.Т.Князев и др. М.: Радио и связь, 2002; Wong K.-L. Compact and Broadband Microstrip Antennas. J.Wiley&Sons, Inc., 2002].
К недостаткам таких антенн и излучателей относится их узкополосность, определяемая резонансным режимом работы, а также примерное равенство габаритных размеров антенны и рабочей длины волны.
Наиболее близкими к предлагаемому техническому решению являются микрополосковые спиральные антенны, выполненные на базе одиночных или связанных радиальных круговых или прямоугольных резонаторных структур, с арифметической, логарифмической или эллиптической намоткой [Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. М., Радио и связь, 2002; Lee Y. Antenna Circuit Design for RFID Applications // Microchip Technology Inc., USA, 2003, AN710, p.1-50].
Недостатком таких спиральных антенн является наличие осевого излучения с односторонней круговой или эллиптической поляризацией, вращающейся либо в левую, либо в правую сторону, что определяется направлением намотки спирали. Тип поляризации, противоположный имеющейся, как правило, выражен слабо и по амплитуде излучения, и по направленности, что не позволяет использовать его на практике, например, для радиометрии.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание широкополосной микрополосковой антенны с двусторонней круговой или эллиптической поляризацией и габаритными размерами, меньшими рабочей длины волны.
Техническая задача решается тем, что в микрополосковой спиральной антенне, которая содержит многослойную диэлектрическую подложку, на одной стороне которой выполнена импедансная одно- или многозаходная спираль, и расположенный с другой стороны подложки изотропный металлический экран, согласно заявленной полезной модели, диэлектрическая подложка выполнена с толщиной, равной четверти рабочей длины волны, содержит не менее трех слоев с линейно уменьшающимся от плоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновым сопротивлением.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является обеспечение двусторонней круговой или эллиптической поляризации в широкой полосе частот при габаритных размерах антенны, меньших рабочей длины волны, что обеспечивается использованием многослойной диэлектрической подложки с согласованными волновыми сопротивлениями слоев.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется рисунками, где
на фиг.1 показана 3D-модель микрополосковой спиральной антенны с двусторонней круговой поляризацией, выполненная на трехслойной подложке, где цифрой 1 обозначена импедансная двухзаходная спираль с логарифмической намоткой, цифрой 2 - изотропный металлический экран, цифрами 3, 4, 5 - слои четвертьволновой подложки с линейно уменьшающимся от плоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновым сопротивлением;
на фиг.2-5 даны диаграммы направленности спиральной антенны для левосторонней и правосторонней поляризаций, рассчитанные с помощью программы AWR Design Environment (Microwave Office) для прототипа - антенны идентичной топологии на однослойной плате, имеющей ярко выраженную правостороннюю поляризацию (фиг.2), для случая трехслойной платы (фиг.3),пятислойной платы (фиг.4) и десятислойной платы (фиг.5).
на фиг.6 показаны зависимости модуля коэффициента отражения от числа слоев подложки.
ср
ср
c
2
Осевое излучение микрополосковой спиральной антенны с двусторонней круговой поляризацией обеспечивается следующим образом. Обозначим средний диаметр витка d, тогда на длине половины витка спирали фазовый сдвиг равен πd/λ. С учетом начального сдвига, равного π, получим результирующее расхождение токов по фазе . Поскольку угол ψ отличается от π, то соблюдается условие осевого излучения с вращающейся поляризацией. В этом случае оптимальное значение коэффициента замедления, соответствующее противофазе поля первого и последнего витков, определяется формулой: , где h - шаг, р - число витков спирали, l - длина одного витка спирали.
opt
Из последней формулы следует, что поскольку λ/2p<<λ+h, то поляризацию можно считать эллиптической. Однако если величина коэффициента замедления не оптимальна, т.е. , то разница между n и n весьма мала, а значит, полученная поляризация близка к круговой.
1ср
1ср
Условие осевого излучения выполняется не для всей структуры, а только для той ее части, в которой токи обеих спиралей совпадают по фазе: , где k=1, 2, 3… Из полученного соотношения следует, что средний диаметр первого «резонансного» кольца (k=1) равен d=λ/π а его периметр πd=λ. Средний диаметр и периметр следующих «резонансных» колец в k раз больше.
max
max
min
Наиболее интенсивно излучает первое «резонансное» кольцо. Это связано с тем, что излучение спирали вызывает затухание волны, сопровождающееся уменьшением тока от ее начала (в центре) к периферийной области. Большая величина коэффициента затухания в рассматриваемой структуре объясняется малым отражением поверхностной волны от концов обеих спиралей (эффект бегущей волны тока). Для того чтобы на максимальной длине волны рабочего диапазона λ сохранялось первое «резонансное» кольцо излучения, диаметр спиралей должен быть достаточно велик: d>λ/π. С уменьшением длины волны это кольцо начинает сжиматься до величины λ, определяемой размерами узла запитки структуры.
1
2
3
1
2
3
4
5
Возможность достижения поставленного технического результата подтверждается результатами моделирования диаграмм направленности микрополосковой спиральной антенны в плоскости XY, полученными с помощью программы AWR Design Environment (Microwave Office) (фиг.2-5), которые наглядно демонстрируют градации изменения левосторонней круговой поляризации при практически не меняющейся правосторонней поляризации, задаваемой рисунком топологии спиралей. Так на фиг.2 даны диаграммы направленности прототипа - двухзаходной спиральной антенны с логарифмической намоткой на однослойной плате с относительной диэлектрической проницаемостью ε=9,8. Такая антенна обладает правосторонней круговой поляризацией при слабо выраженной левосторонней поляризации. Увеличение числа слоев подложки с линейно уменьшающимся от плоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновым сопротивлением в случае трехслойной платы (ε=9,8; ε=5,6; ε=2,4) фиг.3, и пятислойной платы (ε=9,8; ε=7,2; ε=5,6; ε=3,8; ε=2,4)) фиг.4, приводит к «выравниванию» левосторонней поляризации, которая вначале приближается к эллиптической, а при дальнейшем увеличении числа слоев, к круговой поляризации. На фиг.5 показаны диаграммы направленности спиральной антенны на десятислойной подложке  в плоскостях XY (фиг.5а) и XZ (фиг.5б). Такая антенна имеет и правостороннюю, и левостороннюю круговую поляризации, причем амплитуда левосторонней поляризации в плоскости XZ превышает правостороннюю, что свидетельствует о более узком и направленном излучении.
Согласование слоев многослойной подложки спиральной антенны фильтра обеспечивается по величине волнового (характеристического) сопротивления, которое определяется по формуле: , где µ, ε - относительные магнитная и диэлектрическая проницаемости слоя соответственно. Возможность согласования подтверждается результатами расчета и анализа зависимостей модуля коэффициента отражения от многослойной диэлектрической среды с линейно и скачкообразно изменяющимся значением относительной диэлектрической проницаемости. Модуль коэффициента отражения  для двух слоев диэлектрика с номерами 1 и 2 может быть рассчитан по формуле:
1
2
3
1
2
и аналогично получен для любого числа слоев. На фиг.6 показаны зависимости  от числа слоев N для модели антенны на трехслойной плате с линейным изменением относительной диэлектрической проницаемости (ε=9,8; ε=5,6; ε=2,4) и аналогичной по топологии антенны-прототипа на однослойной плате, в поперечном сечении которой волновое сопротивление меняется скачком (ε=9,8; ε=1,0). Из полученных графиков видно, что антенна на трехслойной плате отличается отантенны - прототипа почти вдвое меньшим и практически равномерным по сечению подложки модулем коэффициента отражения.
Достоинством предложенной антенны является постоянное отношение периметра первого «резонансного» кольца к длине волны, что позволяет сохранить направленные свойства резонансной системы в широком диапазоне длин волн.