ПЕЧАТНАЯ АНТЕННА
PRINTED ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к сверхширокополосным антеннам СВЧ-диапазона, и может найти применение как субантенна в составе фазированных антенных решеток, в метрологических задачах, в системах связи, радиодефектоскопии, в задачах радиомониторинга, в задачах электромагнитной совместимости.
Известна широкополосная печатная антенна (патент GB №1601441, МПК H01Q 13/20, опубл. 28.10.1981 г.), которая выполнена на диэлектрической подложке на основе печатной симметричной щелевой линии, экспоненциально расширяющейся от входной линии передачи к раскрыву антенны. Переход с симметричной щелевой линии на коаксиальный соединитель осуществляется через микрополосковую линию, установленную ортогонально по отношению к симметричной щелевой линии и расположенную на другой стороне диэлектрической подложки.
Недостатком такой печатной антенны является незначительная широкополосность за счет перехода с симметричной щелевой линии на микрополосковую линию, высокий уровень кросполяризационной составляющей электрического поля.
Наиболее близким техническим решением, взятым нами за прототип, является сверхширокополосная печатная антенна (патент US №5278575, МПК H01Q 9/28, опубл. 11.01.1994 г.), выполненная на основе антиподальной щелевой линии (АПЩЛ). Апертура антенны образована отрезком печатной АПЩЛ без перекрытия и содержит две одинаковые металлические пластины, расположенные на разных сторонах диэлектрической подложки. В излучающей части печатной антенны металлические пластины АПЩЛ выполнены экспоненциально расширяющимися по внутренней боковой кромке от точки нулевого перекрытия до максимального раскрыва апертуры. Сигнальный полосковый проводник отрезка микрополосковой линии торцом гальванически подключен к внутренней боковой кромке одной металлической пластины АПЩЛ в области нулевого перекрытия, а его земляная плоскость гальванически соединена с торцевой боковой кромкой другой металлической пластины АПЩЛ в области нулевого перекрытия.
Недостатками известного технического решения являются невысокий уровень кросполяризационной составляющей электрического поля, большие размеры максимального раскрыва апертуры в низкочастотной области рабочего диапазона частот, высокий уровень боковых лепестков, значительный уровень фона.
Технической задачей данного изобретения является создание сверхширокополосной печатной антенны с низким уровнем кросполяризационной составляющей электрического поля, с низким уровнем боковых лепестков, с низким уровнем фона.
Поставленная задача решается тем, что в печатную антенну, содержащую отрезок АПЩЛ, расположенный на диэлектрической подложке, и отрезок сигнальной полосковой линии, апертура которой образована отрезком АПЩЛ без перекрытия на интервале от области нулевого перекрытия до области максимального раскрыва, одинаковые сигнальная и земляная металлические пластины, ее образующие, выполнены суживающимися по внутренней боковой кромке от области нулевого перекрытия до области максимального раскрыва апертуры, отрезок сигнальной полосковой линии размещен на одной поверхности диэлектрической подложки и торцом гальванически подключен к внутренней боковой кромке сигнальной металлической пластины в области нулевого перекрытия сигнальной и земляной металлических пластин, а земляная плоскость отрезка сигнальной полосковой линии размещена на другой, противолежащей, поверхности диэлектрической подложки в области нулевого перекрытия отрезка АПЩЛ и гальванически соединена с торцевой боковой кромкой земляной металлической пластины, согласно предложенному решению введен отрезок дополнительной АПЩЛ без перекрытия, первая и вторая металлические пластины которого идентичны сигнальной и земляной металлическим пластинам отрезка АПЩЛ без перекрытия соответственно, причем первая металлическая пластина отрезка дополнительной АПЩЛ расположена на одной поверхности диэлектрической подложки с сигнальной металлической пластиной, а вторая металлическая пластина отрезка дополнительной АПЩЛ расположена на одной поверхности диэлектрической подложки с земляной металлической пластиной, при этом отрезок дополнительной АПЩЛ без перекрытия не имеет области нулевого перекрытия, причем в области апертуры антенны первая металлическая пластина гальванически соединена металлическими перемычками с земляной металлической пластиной, а вторая металлическая пластина гальванически соединена металлическими перемычками с сигнальной металлической пластиной.
Печатная антенна может быть выполнена с установкой металлических перемычек между сигнальной и земляной металлическими пластинами и первой и второй металлическими пластинами по внутренней боковой кромке, по внешней боковой кромке или одновременно по внутренней и внешней боковой кромке.
В печатной антенне торцевая боковая кромка первой и второй металлических пластин со стороны области нулевого пересечения отрезка АПЩЛ может быть выполнена линейной формы и по отношению к продольной оси симметрии отрезка дополнительной АПЩЛ ориентирована перпендикулярно ей или под углом или может быть выполнена нелинейной формы и, соответственно, описываться нелинейной функцией.
Печатная антенна может быть выполнена с шириной диэлектрической подложки, равной ширине максимального раскрыва апертуры, или с шириной, большей ширины максимального раскрыва апертуры.
Печатная антенна может быть выполнена с относительной диэлектрической проницаемостью диэлектрической подложки в области апертуры антенны, равной единице.
Печатная антенна может быть выполнена с относительной диэлектрической проницаемостью диэлектрической подложки в области апертуры антенны с большей или меньшей относительной диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки.
Печатная антенна может быть выполнена с двумя одинаковыми диэлектрическими пластинами, которые установлены с одной и другой стороны диэлектрической подложки.
Диэлектрические пластины могут быть выполнены с длиной и шириной, равной длине и ширине диэлектрической подложки, и установлены симметрично на одну и другую ее поверхности.
Диэлектрические пластины могут быть выполнены с относительной диэлектрической проницаемостью, равной относительной диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки.
Кроме того, диэлектрические пластины могут быть выполнены с относительной диэлектрической проницаемостью больше или меньше относительной диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки.
Печатная антенна может быть выполнена с нагрузочным импедансным шлейфом, установленным в плоскости сигнальной металлической пластины и подключенным гальванически или элекгромагнитно к торцевой боковой кромке сигнальной металлической пластины.
Установка нагрузочного импедансного шлейфа позволяет обеспечить высокий уровень согласования с низким уровнем неравномерности в диапазоне частот.
Печатная антенна может быть выполнена с импедансным контррефлектором, установленным в плоскости сигнальной металлической пластины и отделенным зазором от торцевой боковой кромки сигнальной металлической пластины.
Импедансный контррефлектор может использоваться в сочетании с нагрузочным импедансным шлейфом.
Импедансный контррефлектор позволяет уменьшить уровень обратного излучения и обеспечить низкий уровень фона.
Печатная антенна может быть выполнена с сужением сигнальной, земляной, первой и второй металлических пластин по внутренней боковой кромке в области апертуры, закон сужения металлических пластин может описываться линейной или нелинейной функцией.
Сужение сигнальной, земляной, первой и второй металлических пластин по внутренней боковой кромке в области апертуры может быть выполнено в виде набора кусочно-линейных и кусочно-нелинейных отрезков, описываемых соответствующей функцией и плавно переходящих один в другой.
Печатная антенна может быть выполнена с сужением или расширением сигнальной, земляной металлических пластин, первой и второй металлических пластин по внешней боковой кромке в направлении от области максимального раскрыва апертуры к области нулевого перекрытия отрезка АПЩЛ, причем закон сужения или расширения их описывается линейной или нелинейной функцией.
Печатная антенна может быть выполнена с введением двух одинаковых осесимметричных металлических импедансных пластин, которые установлены со стороны внешних боковых кромок сигнальной, земляной, первой и второй металлических пластин соответственно перпендикулярно плоскости диэлектрической подложки и симметрично относительно этой плоскости, при этом сигнальная и земляная металлические пластины, и первая и вторая металлические пластины контактным элементом гальванически соединены с соответствующей металлической импедансной пластиной.
Осесимметричные металлические импедансные пластины на отрезке от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры могут быть выполнены одинаковой ширины, например, в форме прямоугольника.
Осесимметричные металлические импедансные пластины на отрезке от области максимального раскрыва апертуры к области минимального раскрыва апертуры могут быть выполнены увеличивающейся или уменьшающейся ширины, причем увеличение или уменьшение ширины описывается линейной или нелинейной функцией.
Контактный элемент может быть выполнен в виде металлического стержня круглого или прямоугольного профиля и может быть установлен как в области максимального раскрыва апертуры, так и в любом месте внешней боковой кромки металлических пластин на отрезке, соответствующем длине первой и второй металлических пластин. Также контактный элемент может быть выполнен, например, в виде полупроводникового элемента с регулируемой электрическим путем емкостью или, например, в виде катушки индуктивности в объемном или печатном исполнении.
Контактный элемент может быть выполнен в виде протяженного ленточного проводника как в печатном, так и в объемном исполнении и установлен по внешней боковой кромке металлических пластин на отрезке, соответствующем длине первой и второй металлических пластин. Длина ленточного проводника равна или меньше длины внешней боковой кромки первой или второй металлических пластин.
Печатная антенна может быть выполнена с установкой двух Е-плоскостных металлических экранов, расположенных с каждой стороны внешней поверхности металлических пластин АПЩЛ соответственно.
Е-плоскостные металлические экраны могут быть гальванически соединены между собой короткозамыкателями, которые могут быть выполнены в виде металлических ленточных или цилиндрических проводников.
Печатная антенна может быть выполнена с установкой двух Н-плоскостных металлических экранов, расположенных перпендикулярно металлическим пластинам АПЩЛ со стороны внешних боковых кромок соответственно.
Печатная антенна может быть выполнена с установкой металлического рефлектора, расположенного с торцевой стороны диэлектрической подложки АПЩЛ, противоположной апертуре, и перпендикулярно ей.
Печатная антенна может быть выполнена с установкой диэлектрической подложки с металлическими пластинами АПЩЛ и дополнительной АПЩЛ внутри усеченной прямоугольной металлической пирамиды, торцевая стенка которой выполнена в виде металлической заглушки.
Кроме того, нелинейная функция может иметь вид:
±m/n
у=ax,
где а - коэффициент, задается действительным числом;
m, n - целые положительные взаимно простые числа, причем и n>m;
х - координата, соответствующая продольной оси симметрии антиподальной щелевой линии.
Также нелинейная функция может иметь вид:
bx
dx
y=ae+ce,
где а, b, с, d - коэффициенты, задаются действительными числами;
х - координата, соответствующая продольной оси симметрии антиподальной щелевой линии.
Выбор функции, описывающей сужение или расширение металлических пластин по внешней боковой кромке и сужение по внутренней боковой кромке позволяет оптимизировать распределение плотности электрического тока по поверхности металлических пластин, что позволяет оптимизировать рабочий диапазон частот антенны, коэффициент усиления, ширину диаграммы направленности, уровень кросполяризационной составляющей электрического поля, уменьшить уровень боковых лепестков.
На фиг.1 изображена конструкция печатной антенны; на фиг.2 - топология расположения на одной поверхности диэлектрической подложки земляной металлической пластины и второй металлической пластины; на фиг.3 - топология расположения на другой поверхности диэлектрической подложки печатной антенны сигнальной металлической пластины и первой металлической пластины; на фиг.4 - проекция топологии (фиг.3) на топологию (фиг.2); на фиг.5 - проекция топологий (фиг.4) печатной антенны с шириной диэлектрической подложки больше максимального раскрыва апертуры; на фиг.6 - пример выполнения печатной антенны с торцевой боковой кромкой металлических пластин линейной формы, с металлическими перемычками, установленными по внутренней боковой кромке, с линейным законом сужения по внутренней боковой кромке от области нулевого перекрытия АПЩЛ до области максимального раскрыва апертуры; на фиг.7 - пример выполнения печатной антенны с торцевой боковой кромкой металлических пластин нелинейной формы, с металлическими перемычками, установленными по внутренней боковой кромке, с законом сужения по внутренней боковой кромке от области нулевого перекрытия АПЩЛ до области максимального раскрыва апертуры, состоящего из трех участков: линейного (а), нелинейного (б) и линейного (в); на фиг.8 - пример выполнения печатной антенны с торцевой боковой кромкой металлических пластин с нелинейным законом сужения по внутренней боковой кромке от области нулевого перекрытия АПЩЛ до области максимального раскрыва апертуры, с линейным законом расширения по внешней боковой кромке, с металлическими перемычками, установленными по внешней боковой кромке; на фиг.9 - пример выполнения печатной антенны с торцевой боковой кромкой металлических пластин нелинейной формы, с нелинейным законом сужения по внутренней боковой кромке от области нулевого перекрытия АПЩЛ до области максимального раскрыва апертуры, с линейным законом сужения по внешней боковой кромке, с металлическими перемычками, установленными по внешней боковой кромке; на фиг.10 - топология печатной антенны (фиг.4) с гальванически подключенным нагрузочным импедансным шлейфом к торцевой боковой кромке сигнальной металлической пластины АПЩЛ; на фиг.11 - примеры выполнения топологии неоднородной электромагнитной связи нагрузочного импедансного шлейфа с торцевой боковой кромкой сигнальной металлической пластины АПЩЛ печатной антенны (фиг.4); на фиг.12 - топология печатной антенны (фиг.4) с установленным импедансным контррефлектором со стороны торцевой боковой кромки сигнальной металлической пластины АПЩЛ; на фиг.13 - примеры выполнения топологии импедансного контррефлектора печатной антенны (фиг.4); на фиг.14 - топология печатной антенны (фиг.4) с гальванически подключенным нагрузочным импедансным шлейфом к торцевой боковой кромке сигнальной металлической пластины АПЩЛ и с установленным импедансным контррефлектором; на фиг.15 - конструкция печатной антенны с установленными осесимметричными металлическими импедансными пластинами прямоугольной формы, соединенными контактными элементами, в виде металлических штырей, с внешней боковой кромкой сигнальной, земляной, первой и второй металлических пластин в области максимального раскрыва апертуры; на фиг.16 - пример подключения осесимметричных металлических импедансных пластин контактными элементами, выполненными в виде металлических штырей, с внешними боковыми кромками металлических пластин АПЩЛ и дополнительной АПЩЛ на отрезке между областью максимального раскрыва апертуры и торцевой боковой кромкой металлических пластин дополнительной АПЩЛ; на фиг.17 - пример подключения осесимметричных металлических импедансных пластин контактными элементами, выполненными в виде металлического ленточного проводника, которые соединены с внешними боковыми кромками металлических аластин на отрезке, соответствующем длине внешней боковой кромки первой и второй металлических пластин, на фиг.18 - пример установки двух Е-плоскостных металлических экранов; на фиг.19 - пример установки короткозамыкателей между двумя Е-плоскостными металлическими экранами печатной антенны; на фиг.20 - пример установки двух Н-плоскостных металлических экранов; на фиг.21 - пример установки металлического рефлектора; на фиг.22 - пример установки диэлектрической подложки внутри усеченной прямоугольной металлической пирамиды печатной антенны.
Печатная антенна (фиг.1) содержит диэлектрическую подложку 1, на которой на одной поверхности размещен отрезок сигнальный полосковой линии 2. Ширина диэлектрической подложки 1 равна или больше максимального раскрыва апертуры (фиг.4, фиг.5). Апертура печатной антенны образована отрезком АПЩЛ 3 без перекрытия на интервале от области нулевого перекрытия до области максимального раскрыва апертуры антенны, которую образуют одинаковые сигнальная металлическая пластина 4 и земляная металлическая пластина 5, которые выполнены суживающимися по внутренней боковой кромке 6 от области нулевого перекрытия до области максимального раскрыва апертуры. Отрезок сигнальной полоской линии 2 торцом гальванически подключен к внутренней боковой кромке 6 сигнальной металлической пластины 4 в области нулевого перекрытия сигнальной и земляной металлических пластин 4 и 5, а земляная плоскость 7 отрезка сигнальной полосковой линии 2 размещена на другой, противолежащей, поверхности диэлектрической подложки 1 в области нулевого перекрытия отрезка АПЩЛ 3 и гальванически соединена с торцевой боковой кромкой земляной металлической пластины 5. Отрезок дополнительной АПЩЛ 8 без перекрытия образован первой и второй металлическими пластинами 9 и 10, которые идентичны сигнальной и земляной металлическим пластинам 4 и 5 соответственно. Первая металлическая пластина 9 и сигнальная металлическая пластина 4 расположены на одной поверхности диэлектрической подложки 1, а вторая металлическая пластина 10 и земляная металлическая пластина 5 расположены на другой поверхности диэлектрической подложки 1, при этом отрезок дополнительной АПЩЛ 8 без перекрытия не имеет области нулевого перекрытия. В области апертуры первая металлическая пластина 9 гальванически соединена металлическими перемычками 11 с земляной металлической пластиной 5, а вторая металлическая пластина 10 гальванически соединена металлическими перемычками 11 с сигнальной металлической пластиной 4 по внутренней боковой кромке 6 (фиг.2), или внешней боковой кромке 13 (фиг.4), или по той и другой (фиг.14).
Нагрузочный импедансный шлейф 14 может быть подключен к торцевой боковой кромке 15 сигнальной металлической пластины 4 гальванически (фиг.10) или электромагнитно через зазор 16 (фиг.11). Импедансный контррефлектор 17 может быть отделен от торцевой боковой кромки 15 сигнальной металлической пластины 4 зазором 18 (фиг.12, фиг.13).
Печатная антенна может быть выполнена с металлическими импедансными пластинами 19, которые соединены контактными элементами 20, выполненными в виде металлических штырей, с внешними боковыми кромками 13 сигнальной 4 и земляной 5, первой 9 и второй 10 металлических пластин и подключены, например, в области максимального раскрыва апертуры (фиг.15) или на отрезке, соответствующем длине внешних боковых кромок первой и второй металлических пластин 9, 10 (фиг.16).
С каждой стороны внешней поверхности металлических пластин АПЩЛ печатной антенны могут быть установлены два Е-плоскостных металлических экрана 21 (фиг.18), которые соединяются короткозамыкателями 22, выполненными, например, в виде металлических штырей (фиг.19).
Также со стороны внешних боковых кромок металлических пластин печатной антенны могут быть установлены два Н-плоскостных металлических экрана 23 перпендикулярно металлическим пластинам АПЩЛ (фиг.20).
С торцевой стороны диэлектрической подложки 1 перпендикулярно плоскости металлических пластин печатной антенны может быть установлен металлический рефлектор 24 (фиг.21).
Диэлектрическая подложка 1 может быть установлена внутри усеченной прямоугольной металлической пирамиды 25 (фиг.22).
Печатная антенна работает следующим образом.
Излучающая часть печатной антенны - апертура - представляет собой основную и дополнительную АПЩЛ секторного типа без перекрытия. Первая и вторая металлические пластины отрезка дополнительной АПЩЛ, в области апертуры гальванически соединенные металлическими перемычками с земляной и сигнальной металлической пластиной соответственно, являются симметрирующими для сигнальной и земляной металлических пластин.
10
10
В режиме излучения входной СВЧ-сигнал через отрезок сигнальный полосковой линии 2, выполненной на основе микрополосковой линии (МПЛ) с волной типа Т, поступает к внутренней боковой кромке 6 сигнальной металлической пластины 4 в области нулевого перекрытия сигнальной и земляной металлических пластин 4 и 5 соответственно. В области соединения сигнальной полосковой линии 2 и отрезка АПЩЛ происходит модоимпедансная трансформация волны типа Т в волну волноводного типа Н АПЩЛ с одновременной трансформацией импедансов. В области перехода отрезка АПЩЛ с нулевым перекрытием на плавно расширяющуюся секторного типа АПЩЛ без перекрытия с сигнальной и земляной металлическими излучающими поверхностями 4, 5 происходит соответствующая трансформация волны волноводного типа Н АПЩЛ (Janaswamy R., Snaubert D.H., Radio Science, vol.21, №5, Sept-Oct 1986, pp.797-804).
Первая и вторая металлические пластины 9, 10 отрезка дополнительной АПЩЛ 8, которые начинаются не с области нулевого перекрытия отрезка АПЩЛ 3, в области апертуры гальванически соединены металлическими перемычками 11 с земляной и сигнальной металлическими пластинами 5 и 4 отрезка АПЩЛ 3 соответственно и являются симметрирующими для сигнальной и земляной металлических пластин 4 и 5.
Первая и вторая металлические пластины 9 и 10 отрезка дополнительной АПЩЛ 8 в области апертуры из несимметричной формируют полную симметрию апертуры печатной антенны относительно диэлектрической подложки 1, т.е. однородно заполненную структуру.
Форма торцевой боковой кромки 12 первой и второй металлических пластин 9 и 10 выбирается из условий согласования. В результате этого обеспечиваются одинаковые условия для поверхностных электрических токов на металлических пластинах в области апертуры и, соответственно, распределение электрических составляющих электромагнитного поля в области апертуры.
Максимальный раскрыв апертуры и длина по внутренней боковой кромке сигнальной и земляной металлических пластин 4, 5 отрезка АПЩЛ 3 и первой и второй металлических пластин 9, 10 отрезка дополнительной АПЩЛ 8, выбор функции, описывающей их сужение в области апертуры, выбор максимальной ширины и формы сужения металлических излучающих поверхностей, выбор материала диэлектрической подложки 1 как в области апертуры, так и под металлическими пластинами определяют диапазонные свойства печатной антенны, уровень кросполяризационной составляющей электрического поля, характеристику согласования, уровень боковых лепестков.
Использование нагрузочного импедансного шлейфа 14 (фиг.10, фиг.11) с соответствующим выбором вида связи, гальванической или электромагнитной, и характера импеданса нагрузочного шлейфа 14 позволяет обеспечить в широких пределах дополнительную комплексную нагрузку активной сигнальной металлической пластине 4.
Использование импедансного контррефлектора 17 (фиг.12, фиг.13) с возможностью создания различного характера импеданса позволяет компенсировать обратную волну от активной сигнальной металлической пластины 4.
Использование одновременно нагрузочного импедансного шлейфа 14 и импедансного контррефлектора 17 (фиг.14) позволяет в широких пределах формировать импедансную нагрузку активной сигнальной металлической пластине 4, что позволяет обеспечивать высокий уровень согласования и низкий уровень неравномерности характеристики согласования в широком диапазоне частот.
Выбор формы внутренней и внешней боковых кромок сигнальной и земляной металлических пластин 4 и 5 соответственно и первой и второй металлических пластин 9 и 10 (фиг.6 - фиг.9) определяются диапазонными характеристиками печатной антенны 1.
Использование металлических импедансных пластин 19 (фиг.15 - фиг.17) и выбор области подключения к внешним боковым кромкам 12 сигнальной и земляной металлических пластин 4, 5 и соответственно первой и второй металлических пластин 9, 10 позволяет расширить рабочий диапазон частот в низкочастотную область.
Использование Е-плоскостных металлических экранов 21 (фиг.18) и Н-плоскостных металлических экранов 23 (фиг.20) позволяет сужать диаграмму направленности соответственно в Е или Н плоскостях.
Использование металлического рефлектора 24 (фиг.21) позволяет устранить обратное излучение и, соответственно, формировать однонаправленную диаграмму направленности.
Установка печатной антенны внутрь усеченной прямоугольной металлической пирамиды 25 (фиг.22) позволяет сужать диаграмму направленности одновременно в Е или Н плоскостях.