МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к антенной технике и предназначена для использования в аппаратуре связи в качестве одиночного широкополосного излучателя и как элемент низкопрофильной антенной решетки.
Известно большое количество способов расширения полосы рабочих частот микрополосковых антенн. К ним относятся:
- добавление в конструкцию антенны связанных с основной пластиной как активных, так и пассивных излучающих элементов, располагающихся в одной плоскости с излучателем;
- использование логопериодических структур излучающих элементов;
- применение излучателей с щелью сложной формы;
- применение согласующих элементов (как правило, простой геометрической конфигурации) между зондом и излучателем;
- многослойных (многоэтажных) структур;
усечение симметричной части излучающего элемента. Недостатками этих способов являются:
- увеличение размеров антенны в плоскости экрана;
- нестабильность положения фазового центра антенны с изменением частоты;
усложнение конструкции, а, следовательно, рост ее стоимости;
снижение усиления антенны и искажение ее диаграммы направленности.
Известна антенна [патент США №3921177 Robert E. Munson]. Недостатками этой антенны являются узкая полоса рабочих частот и невысокое усиление, которое при использовании воздушной подложки не превышает 8 дБ.
Известна антенна [патент США №3972049 Cyril M. Kaloi], в которой питание посредством коаксиального кабеля подводится к точке, лежащей на линии, соединяющей середины противоположных сторон и совпадающей по направлению с вектором поляризации. Недостатками этой антенны являются узкая полоса рабочих частот и недостаточно высокое усиление, которое при использовании воздушной подложки не превышает 8 дБ.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является микрополосковая антенна [Wong K.-L. A broadband rectangular patch antenna with a pair of wide slits / K. L. Wong, W. H. Hsu // IEEE Trans. Antennas Prop.49, Sept. 2001. - pp.1345-1347], принятая за прототип.
Схема антенны-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено:
1 - металлическая пластина;
2 - излучающий элемент;
3 - поддерживающие стойки;
4 - точка питания;
6 - коаксиальный кабель.
Антенна-прототип содержит металлическую пластину 1, выполняющую функции экрана, и излучающий элемент 2 с двумя щелями шириной не более одной десятой длины волны, прорезанными параллельно неизлучающим сторонам антенны симметрично относительно точки питания 4, к которой подсоединен коаксиальный кабель 6. Излучающий элемент 2 установлен на поддерживающих стойках 3, которые могут быть изготовлены из металла или диэлектрика.
Функционирование антенны-прототипа заключается в следующем.
Зазор между металлической пластиной 1 и излучающим элементом 2 обеспечивает образование диэлектрической воздушной подложки. Питание антенны осуществляется с помощью коаксиального кабеля 6 в точке 4, отстоящей примерно на треть длины антенны от ее неизлучающего края. Щели, прорезанные параллельно неизлучающим сторонам, вносят во входной импеданс емкостную составляющую, которая компенсирует индуктивный характер входного сопротивления, определяемый центральной жилой коаксиального кабеля 6.
Недостатками устройства-прототипа является небольшая полоса рабочих частот антенны и недостаточно высокое значение коэффициента
усиления (КУ).
Задача - расширение полосы рабочих частот антенны и повышение коэффициента усиления.
Для решения поставленной задачи в микрополосковой антенне, содержащей металлическую пластину, излучающий элемент с двумя щелями шириной не более одной десятой длины волны, прорезанными параллельно излучающим сторонам антенны симметрично относительно точки питания, установленный на поддерживающих стойках, согласно полезной модели, введены два полосковых дипольных излучателя, размещенные на стойках на расстоянии не более нескольких сотых длины волны от излучающего элемента.
Схема предлагаемой антенны представлена на фиг.2, где обозначено:
1 - металлическая пластина;
2 - излучающий элемент;
3 - поддерживающие стойки;
4 - точка питания;
5 - полосковые дипольные излучатели;
6 - коаксиальный кабель.
Предлагаемая антенна содержит металлическую пластину 1, выполняющую функции экрана, излучающий элемент 2 с двумя щелями шириной не более одной десятой длины волны, прорезанными параллельно неизлучающим сторонам антенны симметрично относительно точки питания 4, к которой подсоединен коаксиальный кабель 6, а также два полосковых дипольных излучателя 5 шириной не более трех десятых длины волны, размещенных на стойках 3 на расстоянии не более нескольких сотых длины волны от металлической пластины 1. Излучающий элемент 2 установлен на стойках 3.
Поддерживающие стойки 3 размещены на пересечении диагоналей полосковых дипольных излучателей 5 и пересечении диагоналей прямоугольников, образованных неизлучающими сторонами излучающего элемента 2 и продолжением внешней кромки щели, причем габаритные размеры полосковых дипольных излучателей 5 приблизительно равны размерам прямоугольников. Функционирования предлагаемой антенны заключается в следующем. Зазор между металлической пластиной 1 и излучающим элементом 2, а также излучающим элементом 2 и полосковыми дипольными излучателями 5 обеспечивает образование диэлектрической воздушной подложки. Питание антенны осуществляется с помощью коаксиального кабеля 6 в точке 4, отстоящей примерно на треть длины антенны от ее неизлучающего края. Щели, прорезанные параллельно неизлучающим сторонам, вносят во входной импеданс емкостную составляющую, которая компенсирует индуктивный характер входного сопротивления, определяемый центральной жилой коаксиального кабеля 6. Полосковые дипольные излучатели 5 вносят дополнительную проводимость в требуемой полосе частот, позволяя согласовать антенну в широкой полосе частот и выровнять диаграмму направленности, при этом расстояние до излучающего элемента 2 выбирается таким образом, чтобы суммарный импеданс антенны был максимально близок к волновому сопротивлению коаксиального кабеля 6 в рабочей полосе частот. В плечах излучающего элемента 2 антенны, возбуждаются две моды тока, наличие которых приводит к расширению рабочей полосы частот по излучению, при этом на поверхности полосковых дипольных излучателей 5 также возбуждаются две моды тока, резонансные частоты которых несколько отличны от резонансных частот мод тока на поверхности излучающего элемента 2, что приводит к расширению полосы рабочих частот по сравнению с антенной-прототипом.
Предлагаемая антенна может быть реализована, например, по технологии печатных плат.
На фиг.3 представлена частотная зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) антенны-прототипа и предлагаемой антенны от частоты, на фиг.4 - зависимость коэффициента усиления от частоты.
Моделирование работы антенны-прототипа и предлагаемой антенны показало, что при использовании воздуха в качестве диэлектрика достижимы следующие характеристики предлагаемой антенны:
1. Полоса рабочих частот антенны по уровню КСВ менее 1,7 и повышается на 30% от центральной частоты диапазона.
2. Габаритные размеры 0,4×0,44×0,15 длины волны на центральной частоте.
3. Усиление антенны в полосе частот достигает 9 дБ.
Сопоставительный анализ заявляемой антенны с антенной-прототипом показывает, что предлагаемое техническое решение существенно отличается от прототипа, так как позволяет повысить усиление антенны и расширить полосу ее рабочих частот.
Дополнительный эффект от предлагаемого технического решения заключается в выравнивании формы диаграммы направленности антенны. Это происходит из-за того, что полосковые дипольные излучатели являются симметричными.
Таким образом, предлагаемая микрополосковая антенна за счет оптимального выбора высоты размещения полосковых дипольных излучателей обеспечивает увеличение полосы рабочих частот и повышение ее коэффициента усиления, а также выравнивание формы диаграммы направленности.