НИЗКОПРОФИЛЬНАЯ АНТЕННА
LOW-PROFILE ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к низкопрофильной передающей и приемной антенне для использования при необходимости ее расположения непосредственно на границе воздуха и среды с высокой удельной электрической проводимостью, а также обеспечивающей круговую диаграмму направленности в плоскости раздела сред.
При наклонном падении излучаемой или принимаемой электромагнитной волны с помощью электрической антенны на границе раздела диэлектрической среды (воздуха) и проводника комплексная амплитуда напряженности электрического поля может быть представлена как векторная сумма нормальной (перпендикулярной к поверхности раздела сред) и тангенциальной (параллельной к поверхности раздела сред) компонент, причем амплитуда нормальной компоненты во много раз больше, чем тангенциальной. Для увеличения эффективности процессов излучения или приема электромагнитного поля и обеспечения всенаправленности излучения и приема поля в плоскости раздела сред продольная ось электрической антенны в виде наиболее широко распространенного несимметричного вибратора должна быть ориентирована перпендикулярно поверхности раздела сред. Наиболее эффективен несимметричный вибратор в случае, если его длина составляет примерно четверть длины волны (l=0,25λ). Однако в ряде случаев иметь антенну, значительно возвышающуюся над поверхностью раздела сред, неприемлемо по техническим и эксплуатационным причинам.
Для уменьшения высоты несимметричного вибратора использованы различные конфигурации провода, например в виде букв Т или перевернутой L. Также использованы различные виды укорачивающих нагрузок [1-2] и диэлектрические покрытия [3]. Различные виды изогнутого меандром несимметричного вибратора рассмотрены в [4]. Структуры, приведенные в перечисленных выше работах, позволяют укоротить несимметричный вибратор только на 25-40%. Однако такого уменьшения недостаточно для различных технических задач.
Известны монопольные антенны [5], образованные разомкнутыми на концах полосковыми проводниками (ПП), изогнутыми в виде фрактальной структуры Гильберта в плоскости, параллельной заземленному экрану. Увеличение порядка структуры приводит к удлинению провода и уменьшению резонансной частоты. Такая структура позволяет создать антенну размером 0.05λ, однако ее полоса пропускания при этом ничтожно мала.
Известна конструкция низкопрофильной антенны [6], верхний слой которой содержит четыре ПП, свернутых спиралью. Одни концы этих ПП соединены между собой в центре антенны, а другие разомкнуты. Нижний слой содержит четыре ПП, изогнутых меандром. Одни концы этих ПП соединены между собой в центре антенны, а другие замкнуты с экраном четырьмя вертикальными стержнями. Пятый стержень расположен в центре антенны и соединен со всеми проводниками своим верхним концом. Источник сигнала включен между нижним концом стержня и экраном. ПП излучателя занимают площадь 56×56 мм, а экран - 100×100 мм. При таких размерах антенна согласована на частоте 460 МГц и имеет коэффициент стоячей волны (КСВН) менее 2 в полосе частот 3% относительно частоты настройки. Измеренный в безэховой камере коэффициент усиления (КУ) антенны равен минус 4.1 dBi, а ее направленность равна 1 dBi. Однако такая антенна имеет сравнительно большие размеры - около 0.15λ.
Предложена низкопрофильная антенна [7], которая может излучать перпендикулярно поляризованное поле относительно поверхности раздела сред при высоте конструкции менее 0.01λ и диаметре менее 0.1λ. Щель сложной конфигурации вытравлена на верхней стороне подложки, которая установлена на диэлектрическое кольцо, помещенное на экране, и отделена от экрана воздушной полостью. Края подложки по всему периметру соединены с экраном металлическими перемычками, проходящими через диэлектрическое кольцо. Антенна согласована на частоте 455 МГц.
Известна антенна [8], изготовленная на диэлектрической подложке и представляющая собой симметричный вибратор, два плеча которого выполнены в виде изогнутых меандром полосковых проводников (ПП) одинаковой ширины с постоянным расстоянием между соседними проводниками. При расположении антенны перпендикулярно горизонтально расположенной плоскости раздела сред она излучает и принимает вертикально поляризованную электромагнитную волну со всех направлений в горизонтальной плоскости. Однако для обеспечения круговой диаграммы направленности в плоскости раздела сред полосковые проводники антенны должны устанавливаться вертикально, что значительно увеличивает ее высоту. Плоскостью заземления антенны является граница раздела сред.
Изучение аналогов, упомянутых выше, показало, что известные антенны имеют либо большую высоту, либо большие линейные размеры в плоскости раздела сред относительно длины волны. Эти недостатки не позволяют создать миниатюрную низкопрофильную антенну на их основе.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является низкопрофильная антенна [9], которая представляет собой изогнутый меандром полосковый проводник, плоскость которого расположена параллельно экрану. Один конец этого проводника соединен с экраном, а источник возбуждения подключен на небольшом расстоянии от точки заземления.
Недостатком данного устройства является то, что диаграмма направленности (ДН) антенны в горизонтальной плоскости совпадает с диаграммой вертикального несимметричного вибратора только на отдельных частотах при расположении плоскости антенны перпендикулярно поверхности раздела сред, что многократно увеличивает ее высоту.
В основу изобретения положено создание низкопрофильной антенны, обеспечивающей излучение и прием перпендикулярно поляризованной электромагнитной волны антенной относительно плоскости раздела диэлектрик - проводник (металл) с круговой диаграммой направленности антенны в этой плоскости при наименьшей высоте антенны относительно поверхности раздела сред.
Дополнительно решается задача обеспечения минимальных размеров антенны.
Технический результат достигается тем, что в низкопрофильной антенне, содержащей расположенный в параллельной заземленному экрану плоскости изогнутый меандром симметричный полосковый проводник, середина проводника соединена с одним концом центрального полоска, расположенного в плоскости симметрии антенны внутри периметра полоскового проводника, а второй конец центрального полоска соединен перемычкой с экраном, точка возбуждения антенны находится на линии продольной симметрии центрального полоска на некотором расстоянии от замкнутого с экраном конца.
Для достижения минимальных размеров антенны ширина изогнутого меандром полоскового проводника плавно или ступенчато увеличивается по мере удаления от плоскости симметрии антенны и приближения к разомкнутым концам. За счет этого изменения ширины полоскового проводника увеличивается индуктивность в тех местах, где протекают максимальные токи, и увеличивается емкость вблизи концов полосковых проводников, где сконцентрировано электрическое поле. При этом увеличиваются эффективная индуктивность и емкость антенны, что позволяет уменьшить ее геометрические размеры при сохранении рабочей частоты.
Дополнительное снижение размеров антенны обеспечивается тем, что область пространства между полосковым проводником и экраном заполнена диэлектрическим материалом с относительной диэлектрической проницаемостью, большей единицы. Вследствие уменьшения длины волны в диэлектрике с относительной диэлектрической проницаемостью больше единицы, при сохранении частоты настройки уменьшаются геометрические размеры антенны.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображены вид антенны сверху и конфигурация полосковых проводников;
на фиг.2 - поперечное сечение антенны в плоскости симметрии;
на фиг.3 - вид антенны со стороны коаксиального разъема, проводники которой расположены на верхней, а экран - на нижней стороне пластины из диэлектрика.
Низкопрофильная антенна (фиг.1, фиг.2, фиг.3) содержит центральный полосок 1, один конец которого соединенный с изогнутым меандром симметричным полосковым проводником 7, а второй конец соединен с экраном 2 посредством металлической перемычки 3. Плоскости центрального полоска 1 и полоскового проводника 7 параллельны плоскости экрана 2. При работе антенны в качестве передающей радиосигнал подводится к антенне через коаксиальный разъем 4, внешний проводник которого соединен с металлической перемычкой 3, а внутренний проводник 5 соединен с центральным полоском 1 на некотором расстоянии от места его соединения с перемычкой 3. Ширина полоскового проводника 7 увеличивается от центра к краям, что обеспечивает уменьшение размеров антенны при сохранении ее рабочей частоты. Внутренний проводник 5 коаксиального разъема 4 проходит между экраном 2 и центральным полоском 1. Полосковые проводники антенны расположены на пластине из диэлектрика 6. В качестве материала подложки могут использоваться различные диэлектрические материалы, имеющие малые потери на радиочастотах. При выборе подложки с более высокой диэлектрической проницаемостью можно добиться уменьшения электрических размеров антенны и влияния на нее окружающих предметов, но при этом сужается рабочая полоса частот антенны и уменьшается ее коэффициент усиления.
Заявляемая низкопрофильная антенна работает следующим образом. Сигнал от передатчика подается на коаксиальный разъем и возбуждает полосковый проводник 7, который совместно с экраном излучает радиосигнал в эфир. Согласование антенны с входным разъемом обеспечивается выбором соответствующего расстояния между точкой подключения внутреннего проводника 5 к центральному полоску 1 и металлической перемычкой 3, а также изменением ширины центрального полоска 1. Перпендикулярная плоскости полосковых проводников поляризация сигнала обеспечивается тем, что полосковый проводник 7 имеет симметричную структуру относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную ось внутреннего проводника коаксиального разъема 4.
В таблице 1 приведено сравнение параметров низкопрофильной антенны (НА), разработанной на основе заявляемой конструкции, с известными зарубежными антеннами (ЗА, вариант 1, вариант 2, вариант 3) [8]. Из таблицы видно, что размеры разработанной антенны значительно меньше размеров зарубежных аналогов низкопрофильных антенн с поляризацией электромагнитного поля, перпендикулярной поверхности раздела сред.
Табл. 1.
Сравнительные характеристики антенн
Тип антенны
Частота
Относительная полоса частот
КУ
Высота антенны
Длина, ширина антенны
МГц
%
dBi
мм
мм
НА
450
1.8
-5.4
5.0
60×25
ЗА, вар.1 [8]
446
0.7
-3.7
6.35
100×100
ЗА, вар.2 [8]
455
1.1
-1.5
12.7
100×100
ЗА, вар.3 [8]
434
0.7
-3.4
12.7
60×60
Промышленное применение заявляемой низкопрофильной антенны: малогабаритные приемные и передающие устройства, расположенные непосредственно на металлической поверхности, с жесткими ограничениями по высоте антенны, в частности миниатюрные управляемые роботы.
Источники информации
1. A.Pomerleau and M.Fournier, "Inductively loaded monopole antenna," in IEEE Int. Symp. on Antennas Propag., Dec. 1972, vol.10, pp.81-84.
2. С.Harrison, Jr., "Monopole with inductive loading," IEEE Trans. Antennas Propag., vol.11, pp.394-400, Jul. 1963.
3. J.R.James and A.Henderson, "Electrically short monopole antennas with dielectric or ferrite coatings," Proc. Inst. Elec. Eng., pp.793-803, 1978.
4. J.Rashed and С.Т.Tai, "A new class of resonant antennas," IEEETrans. Antennas Propag., vol.39, pp.1498-1430, Sept. 1991.
5. J.Zhu, A.Hoorfar, and N.Engehta, "Bandwith, cross-polarization, and feed-point characteristics of matched hilbert antennas," IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol.2, pp.2-5, 2003.
6. Wonbin Hong, "Low-Profile, Multi-Element, Miniaturized Monopole Antenna," IEEE Trans. Antennas Propag., vol.57, pp.72-80, Junuary. 2009.
7. D.Liao and K.Sarabandi, "Optimization of low-profile antennas for applications in unattended ground sensor networks," in IEEE Int. Symp on Antennas and Propagation, Jul. 9-14, 2006, pp.783-786.
8. US Patent. Symmetrical Printed Meander Dipole Antenna. International Publication Number WO 2009/034462 A3, International Patent Classification H01Q 1/38 (2006.01), H01Q 9/26 (2006.01), B60R 16/023; International Publication Date 19 March 2009.
9. W.P.Dou and Y.W.M.Chia, "Novel meandered planar inverted-F antenna for triple-frequency operation," Microwave Opt. Technol. Lett., vol 27, pp.58-60. Oct.5, 2000 (прототип).