Однослойная микрополосковая антенна
Изобретение относится к антенной технике, а именно к однослойным микрополосковым антеннам, предназначенным для использования в частотном диапазоне SDMB. Технический результат заключается в обеспечении оптимальной круговой поляризации при минимальном размере. Сущность изобретения состоит в том, что однослойная микрополосковая антенна включает в себя основание и сформированные на основании излучатель в форме кольца или многоугольника и питающую полоску, отделенную от излучателя промежутком заданной постоянной величины. Однослойная микрополосковая антенна может иметь толщину основания от 1 мм до 1,9 мм, может иметь бескорпусной резистор для согласования импеданса. 7 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к области однослойной микрополосковой антенны, более конкретно, к области однослойной микрополосковой антенны, предназначенной для использования в частотном диапазоне SDMB (Satellite Digital Multimedia Broadcasting, спутниковое цифровое мультимедийное вещание).
Уровень техники
Необходимость в легких, тонких и недорогих антеннах, предназначенных для использования в мобильных электронных устройствах и транспортных средствах, привела к разработке элементов антенн, имеющих в своей основе микрополосковые технологии.
Существуют хорошо известные микрополосковые антенны с круговой поляризацией, которые изготавливаются в виде двухрежимных фрагментов. Эти антенны имеют высококачественную круговую поляризацию в достаточно узкой полосе частот. Для более широких полос частот изготавливаются многослойные антенны на толстом основании, что приводит к значительному увеличению их размеров и, таким образом, к усложнению производства и росту производственных затрат. Этот случай описан в документе J.R.James, P.S.Hall "Handbook of Microstrip Antennas" ("Руководство по микрополосковым антеннам"), Peter Peregrinus Ltd., Лондон, Великобритания, 1989.
Печатные антенны, имеющие в своей основе кольцевой резонатор бегущей волны, также обладают высококачественной круговой поляризацией, но в более широкой полосе частот. Антенны этого типа с емкостным соединением с фидерной линией описаны в патенте США 4554549 от 19 ноября 1985 "Microstrip antenna with circular ring" ("Микрополосковая антенна с круговым кольцом"). Еще более высокое качество круговой поляризации было получено при использовании в антенне направленного соединителя для питания кольцевого резонатора. Известная антенна этого типа была реализована только с применением многослойных толстых оснований. [Ссылки: V.M.Bogod, V.N.Diki, D.V.Korolkov, V.E.Sorel "Multiwave radiator, based on traveling wave resonator with unified phase center for use in astronomy" ("Многоволновый излучатель на основе резонатора бегущей волны с объединенным фазовым центром для использования в астрономии"), Astrophysics researches, 1983, 17; D.V.Diki "Printed Antennas Based on Traveling Wave Resonators" ("Печатные антенны на основе резонаторов бегущей волны"). Proceedings of JINA-98, Nice, France, November, 1998.
Таким образом, существует задача получения оптимальной круговой поляризации при минимальном размере антенны.
Раскрытие изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения решение поставленной задачи достигается путем создания однослойной микрополосковой антенны, имеющей минимальную толщину при сохранении соответствия требованиям условий работы (GRHCP≥2.5 дБи в требуемом диапазоне, рабочая ширина полосы Δf=25 МГц).
Второй аспект настоящего изобретения состоит в создании однослойной антенны, которая также включает в себя бескорпусный резистор, подключенный к одному из концов питающей полоски для согласования импеданса.
Длина периметра излучателя по существу равна длине волны радиочастоты.
Длина питающей полоски приблизительно равна четверти длины волны радиочастоты.
Питающая полоска возбуждает ток в излучателе через промежуток за счет электромагнитной связи.
Изменение длины промежутка приводит к изменению поляризации и полосы пропускания антенны.
Один конец питающей полоски соединен с коаксиальной линией, другой конец питающей полоски свободен.
Основание состоит из диэлектрического материала, толщина основания составляет приблизительно от 1 мм до 1.9 мм.
Промежуток между питающей полоской и излучателем сохраняется неизменным.
Радиочастота входит в пределы частотного диапазона SDMB.
Краткое описание Фигур чертежей
Вышеупомянутые свойства и достоинства настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи, описывающие определенные образцовые варианты осуществления настоящего изобретения. На чертежах:
на фиг.1 изображена однослойная микрополосковая антенна согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг.2 изображена однослойная микрополосковая антенна согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг.3А-3С приведены результаты измерений для антенны согласно варианту 1.2.1;
на фиг.3А приведена диаграмма, описывающая правую круговую поляризацию (RHCP) антенны согласно варианту 1.2.1, на фиг.3В приведена диаграмма, описывающая параметр S11 антенны согласно варианту 1.2.1, на фиг.3С приведена диаграмма, описывающая поперечную поляризацию основного лепестка антенны согласно варианту 1.2.1.
На фиг.4А-4В приведены результаты моделирования для антенны согласно варианту 1.2.1.
На фиг.4А приведены графики параметров S11 и S21 для антенны согласно варианту 1.2.1. Параметр S21 отражает вносимые потери между входом антенны и выходом соединителя, нагруженного сопротивлением 50 Ом. На фиг.4В изображены диаграммы направленности излучения антенны согласно варианту 1.2.1.
На фиг.5А-5D приведены результаты моделирования электромагнитных полей в графическом виде для антенны согласно варианту 1.2.2. На фиг.5А приведен график параметра S11 для антенны согласно варианту 1.2.2, на фиг.5В приведен график усиления (RHCP) для антенны согласно варианту 1.2.2, на фиг.5С показана поперечная поляризация основного лепестка антенны согласно 1.2.2, на фиг.5D приведены диаграммы направленности излучения антенны согласно варианту 1.2.2.
На фиг.6А-6D приведены результаты моделирования электромагнитных полей в графическом виде для антенны согласно варианту 1.2.3, на фиг.6Е приведены экспериментальные результаты испытания антенны согласно варианту 1.2.3. На фиг.6А приведены графики параметров S11 и S21 для антенны согласно варианту 1.2.3. Параметр S21 отражает уменьшение коэффициента передачи между входом антенны и выходом соединителя, нагруженным сопротивлением 50 Ом. На фиг.6В показано усиление (RHCP) антенны согласно варианту 1.2.3, полученное при моделировании, на фиг.6С изображена поперечная поляризация основного лепестка антенны согласно варианту 1.2.3, на фиг.6D изображены диаграммы направленности излучения антенны согласно варианту 1.2.3, на фиг.6Е приведено измеренное усиление (RHCP) антенны согласно варианту 1.2.3.
На фиг.7А-7D приведены результаты моделирования электромагнитных полей в графическом виде для антенны согласно варианту 1.2.4, на фиг.7Е-7F приведены экспериментальные результаты испытания антенны согласно варианту 1.2.4. На фиг.7А приведен график параметра S11 антенны согласно варианту 1.2.4, на фиг.7В показано усиление антенны согласно варианту 1.2.4, полученное при моделировании, на фиг.7С изображена поперечная поляризация основного лепестка антенны согласно варианту 1.2.4, полученная при моделировании, на фиг.7D изображены диаграммы направленности излучения антенны согласно варианту 1.2.4.
На фиг.7Е приведен график измеренного усиления антенны согласно варианту 1.2.4, на фиг.7F приведен график измеренного параметра S11 антенны согласно варианту 1.2.4.
На фиг.8А и 8В приведены результаты моделирования электромагнитных полей в графическом виде для антенны согласно варианту 1.2.5. На фиг.8А приведены графики параметров S11 и S21 для антенны согласно варианту 1.2.5, на фиг.8В изображены диаграммы направленности излучения антенны согласно варианту 1.2.5.
На фиг.9А и 9В приведены результаты моделирования электромагнитных полей в графическом виде для антенны согласно варианту 1.2.6. На фиг.9А приведен график параметра S антенны согласно варианту 1.2.6, на фиг.9В изображены диаграммы направленности излучения антенны согласно варианту 1.2.6.
Осуществление изобретения
Далее описываются примерные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 изображена однослойная микрополосковая антенна согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Однослойная микрополосковая антенна 100 согласно варианту осуществления настоящего изобретения, изображенная на фиг.1, включает в себя диэлектрическое основание 10, питающую полоску 20 и излучатель 30.
Диэлектрическое основание 10 представляет собой один слой материала, металлизированный с двух сторон, причем площадь диэлектрического основания 10 предпочтительно составляет 38×38 мм2. Кроме того, толщина диэлектрического основания 10 в примерном варианте осуществления настоящего изобретения должна составлять от 1 мм до 1.9 мм. Толщина основания t=1 мм является максимальной допустимой толщиной, если антенна должна соответствовать параметрам требований условий работы (чувствительность G=2.5 дБи, частота рабочего диапазона Δf=25 МГц). Однако предпочтительно толщина диэлектрического основания 10 может быть увеличена до 1.3 мм с учетом того, что в процессе изготовления антенны могут возникать технологические ошибки, влияющие на параметры антенны в критической степени.
Диэлектрическое основание 10 состоит из материала FLAN основы или материала RO3003 основы, который представляет собой диэлектрический материал производства Rogers Corporation (Chandler, Аризона). Относительная диэлектрическая постоянная (ε) основы FLAN равна 3.8, тангенциальные потери (tan δ) основы FLAN равны приблизительно 0.0012; относительная диэлектрическая постоянная (ε) основы RO3003 10 равна 3.0, тангенциальные потери (tan δ) основы RO3003 равны приблизительно 0.0013.
Сформированная питающая полоска 20 состоит из металлического материала и располагается на верхней стороне диэлектрического основания 10. Один конец питающей полоски 20 соединяется с коаксиальным кабелем посредством микрополоскового разъема 40, другой конец питающей полоски 20 свободен. Предпочтительно длина питающей полоски 20 составляет от λ/4 до λ.
Питающая полоска 20 отделяется от излучателя 30 определенным промежутком, сформированным на диэлектрическом основании 10. Питающая полоска 20 возбуждает токи в излучателе 30 за счет электромагнитной связи через промежуток.
В целях улучшения характеристики электромагнитной связи между питающей полоской 20 и излучателем 30, промежуток между питающей полоской 20 и излучателем 30 в области 50 связи предпочтительно остается постоянным. Если промежуток остается постоянным, форма питающей полоски 20, вероятнее всего, будет аналогичной или подобной форме излучателя 30, как показано на фиг.1.
Если излучатель 30 имеет кольцевую форму, промежуток между питающей полоской 20 и излучателем 30 предпочтительно должен оставаться постоянным для улучшения характеристики электромагнитной связи. Таким образом, форма питающей полоски 20 в области 50 связи предпочтительно должна быть круговой.
Излучатель 30, сформированный на диэлектрическом основании 10, имеет форму восьмигранного кольца с пустым центром. Излучатель 30 может представлять собой не только восьмигранное кольцо, но также и круговое или многоугольное кольцо. Длина периметра излучателя 30 равна или приблизительно равна одной длине волны λ радиочастоты приема и передачи. Сформированный излучатель 30 состоит из металлического материала.
Характеристики круговой поляризации и широкополосности антенны 100 можно совершенствовать путем изменения промежутка, т.е. расстояния между излучателем 30 и питающей полоской 20.
В таблице 1 приведены основные параметры однослойной микрополосковой антенны 100 согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Однослойная микрополосковая антенна 100, параметры которой приведены в таблице 1, имеет основание FLAN (ε=3.8, tan δ=0.0012) размером 38×38 mm2 и толщиной 1.9 мм.
На фиг.2 изображена однослойная микрополосковая антенна согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
В однослойной микрополосковой антенне 200 согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, изображенной на фиг.2, один конец питающей полоски 120 соединен с бескорпусным резистором 160 для согласования импедансов, в отличие от конструкции антенны 100, изображенной на фиг.1, в которой конец питающей полоски является свободным. Сопротивление бескорпусного резистора 160 в образцовом варианте осуществления равно 50 Ом [ Ω].
Бескорпусный резистор 160 несколько снижает характеристику круговой поляризации антенны 200, но повышает характеристику согласования импедансов антенны 200 в широкой полосе частот. Характеристика круговой поляризации антенны 200 может быть увеличена путем изменения промежутка между излучателем 130 и питающей полоской 120 или длины питающей полоски 120.
При наличии бескорпусного резистора 160 производственные затраты антенны 200 согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения становятся более высокими по сравнению с антенной 100 согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, но параметры поперечной поляризации антенны 200 согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения превосходят параметры поперечной поляризации антенны 100 согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
В таблице 1 приведены основные характеристики однослойной антенны согласно настоящему изобретению.
| Таблица 1 | ||||||||||
| Переменные параметры конструкции | Характеристики антенны | |||||||||
| для указанной полосы 25 МГц | Полоса при усилении 2.5 ДБи | |||||||||
| Вариант | t, мм | Наличие нагрузки | Е | Наличие кожуха | Усиление RHCP (мин. по всей полосе) | Ширина лепестка при 3 дБ | Поперечная поляризация главного лепестка | Обратное излучение | S11 | |
| дБи | градусы | ДБ | ДБ | ДБ | МГц | |||||
| 1.2.1*) | 1.9 | + | 3.8 | - | 4.0 | 95 | -26 | -7.5 | -13 | 62 |
| 1.2.2 | 1.9 | - | 3.8 | - | 4.4 | 96 | -12 | -7.5 | -16 | 65 |
| 1.2.3*) | 1.27 | + | 3.0 | + | 3.2 | 93 | -19 | -8.4 | -13 | 38 |
| 1.2.4*) | 1.27 | - | 3.0 | + | 3.3 | 93 | -8.5 | -7.9 | -17 | 40 |
| 1.2.5 | 1.0 | + | 3.0 | + | 2.3 | 93 | -8.1 | -8.1 | - | 22 |
| 13.5 | ||||||||||
| 1.2.6 | 1.0 | - | 3.0 | + | 2.3 | 93 | -9 | -7.6 | -11 | 22 |
В таблице 1 параметр t обозначает толщину основания. Площадь основания - 38×38 мм2. Излучатель, питающая полоска, металлическое покрытие противоположной стороны основания состоят из меди и имеют толщину 0.017 мм. Кожух антенны, если он размещен на поверхности основания, изготовлен из полистирола (ε=2.6). В качестве материала основания используется FLAN (ε=3.8, танг. δ=0.0012) или RO3003.
В таблице 2 приведены основные характеристики однослойной антенны согласно варианту 1.
| Таблица 2 | ||
| Параметры*) | Измеренные | По модели |
| Усиление RHCP (мин.), дБи | 3.6 (минимальное) | 4.0 |
| Ширина лепестка, градусов | 100 | 95 |
| Поперечная поляризация главного лепестка, дБ | -20 | -26 |
| Обратное излучение, дБ | -8 | -7.5 |
| S11, дБ | -13 | -13 |
Все параметры антенны 100 в таблице 2 приведены для ширины полосы, равной 25 МГц.
На фиг.3А-3С приведены измеренные результаты для антенны согласно варианту 1.2.1.
На фиг.3А изображена диаграмма, описывающая усиление (RHCP) антенны согласно варианту 1.2.1, на фиг.3В изображена диаграмма, описывающая параметр S11 антенны согласно варианту 1.2.1, на фиг.3С изображена диаграмма, описывающая поперечную поляризацию основного лепестка антенны согласно варианту 1.2.1.
На фиг.4А-4В приведены результаты для антенны согласно варианту 1.2.1, полученные при моделировании.
На фиг.4А приведены графики параметров S11 и S21 для антенны согласно варианту 1.2.1. Параметр S21 отражает вносимые потери между входом антенны и выходом соединителя, нагруженного сопротивлением 50 Ом.
На фиг.4В приведены диаграммы направленности излучения антенны согласно варианту 1.2.1.
На фиг.5А-5D приведены результаты моделирования электромагнитных полей в графическом виде для антенны согласно варианту 1.2.2.
На фиг.5А приведен график параметра S11 для антенны согласно варианту 1.2.2, на фиг.5В приведен график усиления (RHCP) антенны согласно варианту 1.2.2, на фиг.5С показана поперечная поляризация основного лепестка антенны согласно 1.2.2, на фиг.5D показаны диаграммы направленности излучения антенны согласно варианту 1.2.2.
На фиг.6А-6D приведены результаты моделирования электромагнитных полей в графическом виде для антенны согласно варианту 1.2.3, на фиг.6Е приведены экспериментальные результаты испытания антенны согласно варианту 1.2.3.
На фиг.6А приведены графики параметров S11 и S21 для антенны согласно варианту 1.2.3. Параметр S21 означает уменьшение коэффициента передачи между входом антенны и выходом соединителя, нагруженного резистором 50 Ом.
На фиг.6В приведен график усиления (RHCP) антенны согласно варианту 1.2.3, полученный путем моделирования, на фиг.6С показана поперечная поляризация основного лепестка антенны согласно варианту 1.2.3, на фиг.6D изображены диаграммы направленности излучения антенны согласно варианту 1.2.3, на фиг.6Е приведен график усиления (RHCP) антенны согласно варианту 1.2.3.
На фиг.7А-7D приведены результаты моделирования электромагнитных полей в графическом виде для антенны согласно варианту 1.2.4, на фиг.7Е-7F приведены экспериментальные результаты испытания антенны согласно варианту 1.2.4.
На фиг.7А приведен график параметра S11 для антенны согласно варианту 1.2.4, на фиг.7В приведен график усиления антенны согласно варианту 1.2.4, полученный при моделировании, на фиг.7С приведен график поперечной поляризации основного лепестка антенны согласно варианту 1.2.4, полученный при моделировании, на фиг.7D изображены диаграммы направленности излучения антенны согласно варианту 1.2.4.
На фиг.7Е приведены результаты измерения усиления антенны согласно варианту 1.2.4, на фиг.7F приведен график измеренного параметра S11 для антенны согласно варианту 1.2.4.
На фиг.8А и 8В приведены результаты моделирования электромагнитных полей в графическом виде для антенны согласно варианту 1.2.5.
В частности, на фиг.8А приведены графики параметров S11 и S21 для антенны согласно варианту 1.2.5, на фиг.8В изображены диаграммы направленности излучения антенны согласно варианту 1.2.5.
На фиг.9А и 9В приведены результаты моделирования электромагнитных полей в графическом виде для антенны согласно варианту 1.2.6.
В частности, на фиг.9А приведен параметр S антенны согласно варианту 1.2.6, на фиг.9В изображены диаграммы направленности излучения антенны согласно варианту 1.2.6.
Как описано выше в примерных вариантах осуществления настоящего изобретения, однослойная микрополосковая антенна имеет тонкое плоское основание, изготовленное с использованием микрополосковой технологии. При использовании краевой подачи питания не требуется дополнительная толщина антенны. Следовательно, фидер может быть легко соединен с гибким кабелем (коаксиальный или плоский кабель). Поэтому однослойная микрополосковая антенна согласно вариантам осуществления настоящего изобретения имеет минимальную толщину при сохранении соответствия требованиям условий работы (GRHCP≥2.5 дБи в требуемом диапазоне, рабочая полоса пропускания Δf=25 МГц).
Вышеописанные образцовые варианты осуществления и аспекты изобретения являются лишь примерными и не должны рассматриваться как ограничивающие испрашиваемую область защиты. Описанные принципы могут быть непосредственно применены к другим типам устройств. Кроме того, описание примерных вариантов осуществления настоящего изобретения предназначено для иллюстрирования, а не ограничения области действия формулы изобретения; специалисту в данной области техники будет очевидно множество ее альтернатив, модификаций и вариантов.
1. Антенна, включающая в себя следующие компоненты: основание; излучатель в форме кольца или многоугольника, сформированный на основании; сформированная на основании питающая полоска, отделенная от излучателя промежутком заданной постоянной величины, которая возбуждает ток в излучателе через указанный промежуток за счет электромагнитной связи, причем форма питающей полоски аналогична или подобна форме излучателя.
2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно включает в себя бескорпусный резистор, подключенный к одному из концов питающей полоски для согласования импеданса.
3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что длина периметра излучателя, по существу, равна длине волны радиочастоты.
4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что длина питающей полоски, по существу, равна одной четверти длины волны радиочастоты.
5. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что изменение длины промежутка приводит к изменению характеристик поляризации и полосы пропускания антенны.
6. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что один конец питающей полоски соединен с коаксиальной линией, а другой конец питающей полоски свободен.
7. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что основание состоит из диэлектрического материала, причем толщина основания составляет, по существу, от 1 до 1,9 мм.
8. Антенна по п.4, отличающаяся тем, что радиочастота входит в пределы частотного диапазона SDMB.
