ТРЕХДИАПАЗОННАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА
THREE-BAND MICROSTRIP ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к широкополосным микрополосковым антеннам СВЧ-диапазона, и может быть использовано в метрологии, в системах связи, в радиодефектоскопии, в радиомониторинге.
3
Известна "Антенна" (см. а.с. СССР №884009, МПК H01Q 13/10, опубл. 23.11.81, бюл. №43). Она содержит токопроводящий диск, расположенный над металлическим экраном и фидер, а в диске соосно с ним прорезана кольцевая короткозамкнутая в одной точке щель, длина которой равна половине длины волны, причем внутренний край щели в точке его короткого замыкания соединен с центральным проводником фидера, а внешний край - с экраном. Антенна обеспечивает прием и передачу сигналов в сравнительно узкой полосе частот 3-5% от значения несущей частоты. Кроме того, антенна имеет значительные габариты.
Современные системы связи используют широкие полосы рабочих частот: 6,6% для GSM диапазона 450-480 МГц; 7,6% для GSM диапазона 890-960 МГц; 9,5% для DCS диапазона 1710-1880 МГц; 7,5% для PCS диапазона 1850-1990 МГц и 12,2% для UMTS диапазона 1920-2170 МГц (см. Kin-Lu Wong. Compact and Broadband Microstrip Antennas. - New York: Awiley - Interscience Publication. John Wiley&Sons, inc. 2002).
5
Известна "Дисковая микрополосковая антенна" (см. а.с.СССР №1573487, МПК H01Q 1/38, опубл. 23.06.90 г., бюл. №23). Она содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен металлический экран, а на другой - проводящий диск, в котором выполнена щель, штыревой зонд, коаксиальный фидер и шунт с соответствующими подключениями. Антенна обеспечивает формирование изотропной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и уменьшение габаритов в 2-4 раза по сравнению с известными образцами. Основной недостаток антенны-аналога состоит в недостаточной широкополосности, что ограничивает ее использование в современных широкополосных (ШП) системах связи, а также больших размерах, особенно на частотах 450 МГц и ниже.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому устройству является "Двухдиапазонная микрополосковая антенна" (см. Z.D.Liu, Р.S.Hall, and D.Wake. "Dual frequency planar inverted F antenna". - IEEE Trans. Antennas Propagat. №45, p.1451-1458, oct. 1997; Kin-Lu Wong. Compact and Broadband Microstrip Antennas. - New York: Awiley - Interscience Publication. John Wiley&Sons, inc. 2002, p.9, fig.1.12).
Устройство-прототип содержит два резонатора, выполненных из проводящих пластин прямоугольной и L-образной форм на диэлектрической подложке и расположенных в одной плоскости над экраном, короткозамыкающую пластину и коаксиальный кабель, причем центральный проводник питающего коаксиального кабеля подключен к проводящей пластине первого резонатора, внешний проводник коаксиального кабеля соединен с экраном, короткозамыкающая пластина с одной стороны соединена с дальним от точки запитки антенны углом проводящей пластины второго резонатора, а противоположная сторона подключена к экрану.
пер
Антенна-прототип обеспечивает прием и передачу сигналов в двух поддиапазонах частот с коэффициентом перекрытия между ними К~2.
Антенна-прототип также обладает существенным недостатком. Она непригодна для работы со значительным классом ШП-сигналов из-за недостаточной широкополосности. Например, невозможен одновременный прием сигналов в сетях связи с макро- и микросотовой структурой, использующих следующие полосы частот: 450-480 МГц, 890-1000 МГц и 1600-1800 МГц (см. Ратинский М.В. Основы сотовой связи/ Под. ред. Д.В.Зимина. - M.: Радио и связь, 1998). Наибольшую сложность представляет разработка компактной антенны, обеспечивающей эффективный прием и передачу сигналов одновременно во всех названных поддиапазонах частот.
Целью заявляемого технического решения является разработка широкополосной трехдиапазонной компактной антенны, обеспечивающей эффективный прием и передачу сигналов известных стандартов сотовых и транковых систем связи.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, состоящее из двух резонаторов, выполненных из проводящих пластин на общей диэлектрической подложке, расположенной параллельно над экраном, короткозамыкающей пластины и коаксиального кабеля, причем проводящая пластина второго резонатора имеет прямоугольную форму, центральный проводник коаксиального кабеля подключен к проводящей плате первого резонатора, короткозамыкающая пластина с одной стороны соединена с дальним от точки запитки углом проводящей пластины второго резонатора, а противоположная ее сторона подключена к экрану, дополнительно введена шунтирующая емкость в виде двух плоских прямоугольных проводящих пластин для создания емкостных связей между резонаторами. Проводящая пластина первого резонатора выполнена в виде равнобедренного треугольника, усеченная вершина которого совмещена с центром антенны и дополнена двумя прямоугольными шлейфами для обеспечения согласования с коаксиальным кабелем в области верхних частот. Крайние угловые области проводящей пластины второго резонатора, расположенные на стороне, ближайшей к первому резонатору, дополнены подсоединенными прямоугольными проводящими пластинами шунтирующей емкости, внешний проводник коаксиального кабеля соединен с проводящей пластиной второго резонатора, а центральный проводник - с усеченной вершиной равнобедренного треугольника проводящей пластины первого резонатора.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что вводится шунтирующая емкость, изменяются форма первого резонатора и точки подключения коаксиального кабеля, позволяет достичь цели изобретения: разработать эффективную широкополосную трехдиапазонную компактную антенну.
1,2,3
1,2
Технический результат в предлагаемой антенне достигается за счет перехода от параллельного подключения резонаторов к последовательному и введением шунтирующей емкости, что позволило увеличить число полос рабочих частот антенны с двух до трех при сохранении их независимой настройки. Габаритные характеристики предложенной конструкции антенны и антенны-прототипа, пересчитанные для первого поддиапазона частот (450-480 МГц), совпадают. Однако заявляемая антенна позволяет существенно увеличить суммарную ширину рабочих поддиапазонов частот. При совпадении полос первого и второго поддиапазонов частот 30 и 150 МГц соответственно ширина третьего поддиапазона предлагаемой антенны составляет 200 МГц, что соответствует выигрышу по широкополосности в относительных единицах η=Δf//Δf в 2,1 раза.
Заявляемая антенна поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 показана антенна в соответствии с заявляемым изобретением;
на фиг.2 приведены габаритные размеры заявляемой антенны;
на фиг.3 иллюстрируется эквивалентная схема заявляемой антенны;
на фиг.4 показан характер чередования реактивного сопротивления первого и второго резонаторов;
на фиг.5 приведен график изменения частотных характеристик заявляемой антенны (зависимость КСВ от используемых частот) в полосе 430-1800 МГц;
на фиг.6 иллюстрируется зависимость КСВ от используемой частоты в полосе 450-480 МГц;
на фиг.7 приведены измеренные значения входного сопротивления антенны на диаграмме Смита для частот 450-480 МГц;
на фиг.8 иллюстрируется зависимость КСВ от используемой частоты в полосе 860-1000 МГц;
на фиг.9 приведены измеренные значения входного сопротивления антенны для полосы частот 860-1000 МГц;
на фиг.10 иллюстрируются измеренные значения КСВ антенны в зависимости от используемой частоты в полосе 1600-1800 МГц;
на фиг.11 приведены измеренные значения входного сопротивления антенны для частот 1600-1800 МГц;
на фиг.12,а, б приведены диаграммы направленности антенны в Е и Н плоскостях для диапазона частот 450-480 МГц соответственно;
на фиг.13,а, б приведены диаграммы направленности антенны в Е и Н плоскостях для диапазона частот 860-1000 МГц соответственно;
на фиг.14,а, б приведены диаграммы направленности антенны в Е и Н плоскостях для диапазона частот 1600-1800 МГц соответственно.
2
На фиг.1, 2 представлены оптимальные размеры антенны, которые были получены на опытном макете, настроенном на три полосы частот: 450-480 МГц, 860-1000 МГц и 1600-1800 МГц. Антенна выполнена методом печатного монтажа на диэлектрической подложке из стеклотекстолита марки FR-4 с толщиной подложки 1,5 мм площадью 155×84 мм.
р
p
3
c
Проводящая пластина первого резонатора выполнена в форме равнобедренного треугольника с основанием 62 мм и высотой 62 мм, усеченная вершина которого совмещена с центром антенны и дополнена двумя прямоугольными шлейфами. Проводящая пластина второго резонатора имеет прямоугольную форму размером 74×45,5 мм. Подложка располагается параллельно над заземленным экраном на высоте h=10 мм. Размеры экрана совпадают с размерами диэлектрической подложки. Расстояние h выбрано экспериментально и составляет 0,2λ для третьего поддиапазона, что позволило максимально расширить полосы рабочих частот. Толщина антенны h с учетом толщины стенок экрана и диэлектрической подложки составляет 14 мм. Шунтирующая емкость выполнена из двух прямоугольных проводящих пластин размером 11×11 мм, которые подобранны экспериментально. Пластины размещаются на диэлектрической подложке и электрически соединены с крайними угловыми областями проводящей пластины второго резонатора со стороны, ближайшей к первому резонатору. Короткозамыкающая пластина имеет размеры 11×11 мм и изготавливается из металла.
Внешний вид антенны приведен на фиг.1 и 2. Трехдиапазонная микрополосковая антенна содержит первый 1 и второй 2 резонаторы, выполненные из проводящих пластин 3 и 4 соответственно на общей диэлектрической подложке 5, расположенной параллельно над экраном 6, короткозамыкающую пластину 7 и коаксиальный кабель 8, причем проводящая пластина 4 второго резонатора 2 имеет прямоугольную форму, центральный проводник коаксиального кабеля 8 подключен к проводящей пластине 3 первого резонатора 1, а короткозамыкающая пластина 7 с одной стороны соединена с дальним от точки запитки углом проводящей пластины 4 второго резонатора 2, а противоположная ее сторона подключена к экрану.
Для обеспечения эффективного приема и передачи сигналов известных стандартов сотовых и транковых систем связи дополнительно введена шунтирующая емкость 9 в виде двух плоских прямоугольных проводящих пластин 9.1 и 9.2 для создания емкостных связей между резонаторами 1 и 2. Проводящая пластина 3 первого резонатора 1 выполнена в виде равнобедренного треугольника, усеченная вершина которого совмещена с центром антенны и дополнена первым 10 и вторым 11 прямоугольными шлейфами для обеспечения согласования с коаксиальным кабелем 8 в области верхних частот. Крайние угловые области проводящей пластины 4 второго резонатора 2, расположенные на стороне, ближайшей к первому резонатору 1, дополнены подсоединенными прямоугольными проводящими пластинами 9.1 и 9.2 шунтирующей емкости 9. Внешний проводник коаксиального кабеля 8 соединен с проводящей пластиной 4 второго резонатора 2, а центральный проводник - с усеченной вершиной равнобедренного треугольника проводящей пластины 3 первого резонатора 1.
1
Т
2
Ш
Работа трехдиапазонной микрополосковой антенны поясняется с помощью эквивалентной схемы (см. фиг.3). Антенна состоит из двух резонаторов 1 и 2, один из которых (первый) можно рассматривать как отрезок линии длиной l, нагруженный на торцевую емкость С. Второй резонатор 2 представляется как короткозамкнутый отрезок линии l. Резонаторы подключаются ко входу питающего коаксиального кабеля 8 последовательно. Вход линии шунтируется емкостью С. Известно, что входное сопротивление первого резонатора 1 определяется выражением
1
где β=2π/λ, - волновое число, ρ - волновое сопротивление первой линии.
Входное сопротивление короткозамкнутой линии (резонатор 2) определяется выражением
2
2
Из выражения (2) видно, что при l/λ<1/4 сопротивление резонатора 2 имеет индуктивный характер (знак +), а при 1/4<l/λ<1/2 - емкостной (знак -).
Как следует из выражения (1), до частоты, определяемой соотношением
T
1
1
1
Ш
входное сопротивление резонатора 1 носит емкостной характер. Далее, до частоты, определяемой вторым корнем (3), характер входного сопротивления первого резонатора 1 становится индуктивным. Шириной разомкнутого конца резонатора 1 можно подобрать С таким образом, что соотношение (3) будет выполняться при l/λ∑≃1/12. Характер чередования реактивностей первого 1 и второго 2 резонаторов приведен на фиг.4. Из его рассмотрения видно, что в области l/λ≃1/12 резонатор 1 имеет последовательный резонанс. Это вытекает из того, что при l/λ≃1/12. резонатор 1 имеет малое емкостное сопротивление. Сопротивление второго резонатора 2 в этом диапазоне будет малым индуктивным и при ширине полоска ~60 мм составит ~5 Ом. Сопротивление шунтирующей емкости С на этих частотах велико и поэтому шунтирующим эффектом можно пренебречь. Условие первого резонанса можно получить, приравняв соотношения (1) и (2):
1
Второй резонанс антенной системы наблюдается на частотах, где l/λ≃6. На этих частотах сопротивление обоих резонаторов 1 и 2 имеет индуктивный характер, причем сопротивление второго резонатора значительно возрастает в связи с его приближением к области параллельного резонанса. Сопротивление шунтирующей области уменьшается в два раза, благодаря чему возникает вторая рабочая полоса антенны при выполнении условия
1
Третья рабочая полоса антенны также соответствует выполнению условия (5), но на частоте, где l/λ≃1/3.
Настройку на первую резонансную частоту удобно выполнять регулировкой ширины второго резонатора 2, на вторую частоту - регулировкой торцевой емкости, а на третью - шунтирующей емкостью.
Рассмотрим характеристики предлагаемой антенны в заявляемых диапазонах частот. На фиг.5 приведен график изменения частотных характеристик антенны (зависимость КСВ от используемой частоты) в общей полосе частот 430-1800 МГц, свидетельствующий о наличии трех заявленных полос рабочих частот.
Условие резонанса в первой полосе частот 450-480 МГц определяется выражением (4). Для данных частот резонатор 1 значительно меньше резонансной длины (около 0,12λ с учетом диэлектрической подложки ε=4,3). Поэтому входное сопротивление резонатора 1 имеет емкостной характер. Последовательное включение резонаторов 1 и 2 позволяет создать приемлемое согласование в первом поддиапазоне частот. В силу того что резонанс определяется соотношением рассосредоточенных элементов L и С, последний имеет достаточно узкополосный характер. Растекание тока I осуществляется из точки запитки, находящейся в вершине усеченного равнобедренного треугольника проводящей пластины 3 первого резонатора 1 в направлении основания названного треугольника. Физические процессы в предлагаемой антенне близки по своей природе к соответствующим процессам в шунтовых вибраторах над экраном (см. Сверхширокополосные антенны. Пер. с англ. С.В.Попова, В.А.Журавлева. - М.: Мир, 1964, стр.394-402). К последним можно отнести значение коэффициента стоячей волны (КСВ) в совокупности с шириной полосы рабочего диапазона частот, распределение токов на пластинах резонаторов, структуру излучаемого поля. Приведенные на фиг.6 и 7 результаты измерений свидетельствуют о том, что в первом поддиапазоне заявляемых частот 450-480 МГц КСВ не хуже 3. Результаты измерения входного сопротивления антенны в первом поддиапазоне, полученные на диаграмме Смита, свидетельствуют о наличии в ней последовательного резонанса. Настройка характеристик антенны в первом поддиапазоне осуществляется регулировкой ширины проводящей пластины 4 второго резонатора 2.
В полосе частот 860-1000 МГц длина первого и второго резонаторов 1 и 2 близка к резонансной, что влечет за собой многорезонансный характер антенны с широкой полосой рабочих частот. Условие резонанса во втором поддиапазоне определяется выражением (5). Настройку характеристик антенны во втором поддиапазоне удобно осуществлять с помощью варьирования размерами квадратного шлейфа 11, не нарушая настройки в других поддиапазонах частот. Растекание токов в этой полосе частот аналогично первому поддипазону.
Результаты измерений КСВ и входного сопротивления во второй полосе частот приведены на фиг.8 и 9. Последние свидетельствуют о том, что КСВ в заявляемой полосе частот не хуже 3, имеет место как параллельный, так и последовательный резонанс.
Условие резонанса в третьей полосе частот 1600-1800 МГц также определяется выражением (5). Для обеспечения работы в этой полосе частот необходимо отсечь токи, растекающиеся по наиболее длинным путям. Эта проблема решается четвертьволновым шлейфом 11, размещенным рядом с вершиной усеченного равнобедренного треугольника проводящей пластины 3 первого резонатора 1.
ш
Пластины 9.1 и 9.2 шунтирующей емкости 9 С на краях резонатора 2 позволяют выровнять пути токов I для создания ярко выраженной полосы согласования с 50-омным фидером.
ш
На фиг.10 и 11 приведены результаты измерений КСВ и входного сопротивления в третьей полосе частот. Последние свидетельствуют о том, что КСВ в заявленной полосе частот не хуже 3, а входное сопротивление имеет ярко выраженный многорезонансный характер. Настройка характеристик антенны в третьем поддиапазоне удобно осуществлять варьированием значения С.
На фиг.12,а, б приведены диаграммы направленности (ДН) антенны в Е и Н плоскостях на уровне 3 дБ от максимума для первого, второго и третьего поддиапазонов соответственно. Анализ результатов измерений позволяет сделать следующие выводы:
диаграммы направленности в Е и Н плоскостях для соответствующих поддиапазонов отличаются незначительно;
ширина ДН уменьшается с ростом частоты и лежит в пределах ±60° (на частоте 460 МГц), ±45° (на частоте 900 МГц) и ±30° (на частоте 1700 МГц);
кроссполяризация в первом поддиапазоне не превышает -15 дБ и -20 дБ во втором и третьем поддиапазонах.
Все детали антенны согласно настоящему изобретению имеют простую форму и сделаны из однородного и однотипного токопроводящего материала. Это позволяет реализовать изготовление их в массовом производстве легко и дешево, используя прессовку или пластмассовое литье с последующим токопроводящим покрытием.