Микрополосковая антенна



Микрополосковая антенна
Микрополосковая антенна
Микрополосковая антенна
Микрополосковая антенна
Микрополосковая антенна
Микрополосковая антенна
Микрополосковая антенна

 


Владельцы патента RU 2475902:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт космического приборостроения" (ОАО "НИИ КП") (RU)

Изобретение относится к антенной технике, может быть широко использовано в качестве самостоятельной приемной или передающей антенны или элемента фазированной антенной решетки, в частности, антенна может применяться как приемная антенна в аппаратуре пользователей космических навигационной систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS и т.п.), и позволяет уменьшить габариты микрополосковой антенны без уменьшения эффективности ее излучения. Микрополосковая антенна включает излучающую пластину, расположенный под ней экран, емкостные элементы, укрепленные на краях излучающей пластины, и штырь связи, соединяющий пластину с линией питания, антенна снабжена диэлектрической подложкой, на верхней поверхности которой расположена излучающая пластина, выполненная симметричной формы относительно ее центральной оси и имеющая по контуру 2n сквозных вырезов со щелями, выходящими на край пластины, а емкостные элементы укреплены в вышеназванных щелях и образуют вместе с вырезами метаматериал. Вырезы, расположенные на одной оси излучающей пластины по или против часовой стрелки от штыря связи, выполнены площадью Sn+1, большей, чем площадь Sn остальных вырезов, угол разворота относительно штыря связи составляет соответственно +(45±5)° (правая поляризация) или -(45±5)° (левая поляризация), а соотношение площадей вырезов определяют из следующей зависимости Sn+1/Sn=1,1±0,05. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антеннам, и может быть использовано для приема радиосигналов, в частности, в качестве активной приемной антенны в аппаратуре пользователей космических навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS/GALILEO).

Микрополосковые антенны (МПА) вследствие их компактности и технологичности изготовления нашли широкое применение во многих системах связи. В последнее время остро стоит проблема их миниатюризации. Одним из способов уменьшения габаритов МПА является использование диэлектрических подложек с большим значением диэлектрической проницаемости (более 10) [Б.А.Панченко, Е.И.Нефедов. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986, 145 с.].

Однако это приводит к уменьшению полосы согласования МПА и, в конечном счете, к падению эффективности излучения МПА.

Альтернативным способом уменьшения габаритов МПА является использование метаматериалов в конструкции антенн [C.Caloz, T.Itoh. Elektromagnetic Metamaterial: Transmission Line Theory and Microwave Applications. New York: Wiley and IEEE Press, 2005].

Известна МПА с метаматериалом, состоящая из петлевой антенны, окруженной метаматериалом [Заявка США №20090140946, кл. H01Q 1/50; H01Q 15/08; H01Q 7/08; H01Q 9/16, опубл. 2009-06-04].

Ее недостатком можно считать относительно большие габариты, поскольку она является трехмерной антенной.

Известна также антенна, состоящая из набора печатных плат, закороченных в центре на земляную плоскость (грибовидные структуры) [Заявка США №20080258981, кл. H01Q 1/24; H01Q 1/38, опубл. 2008-10-23].

Недостатком такой конструкции является наличие закорачивающих штырей, соединяющих печатные платы с земляной плоскостью.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является микрополосковая антенна, включающая излучающую пластину, расположенный под ней экран, емкостные элементы, укрепленные на краях излучающей пластины, и штырь связи, соединяющий пластину с линией питания [Патент РФ №2390890, кл. H01Q 3/00, H01Q 1/38, H01Q 21/24, опубл. 27.05.2010].

В известной антенне излучающая пластина и экран расположены противоположно и отделенно друг от другу, на краях излучающей пластины и экрана выполнены емкостные элементы в виде набора коротких ребер, загнутых внутрь пространства между экраном и излучающей пластиной для обеспечения уменьшения резонансного размера.

Недостатком такой антенны является то, что пластины перекрывают область излучения микрополосковой антенны, расположенную по периметру излучающего элемента между ее краем и экраном, что при достаточно большом уменьшении резонансного размера излучающей пластины ухудшает эффективность излучения.

Технической задачей изобретения является уменьшение габаритов микрополосковой антенны без уменьшения эффективности ее излучения.

Указанная задача решается тем, что микрополосковая антенна, включающая излучающую пластину, расположенный под ней экран, емкостные элементы, укрепленные на краях излучающей пластины, и штырь связи, соединяющий пластину с линией питания, снабжена диэлектрической подложкой, на верхней поверхности которой расположена излучающая пластина, выполненная симметричной формы относительно ее центральной оси и имеющая по контуру 2n сквозных вырезов, где n=1, 2, 3…, со щелями, выходящими на край пластины, а емкостные элементы укреплены в вышеназванных щелях и образуют вместе с вырезами метаматериал.

Предпочтительно, чтобы излучающая пластина была выполнена любой из известных симметричных форм, например круглой, квадратной, многоугольной, а вырезы пластины были выполнены также симметричной формы, например, круглой, ромбовидной, квадратной, многоугольной..

Предпочтительно вырезы пластины выполнить одинаковой площади.

Предпочтительно вырезы, расположенные на одной оси пластины по или против часовой стрелки от штыря связи, выполнить площадью Sn+1, большей, чем площадь Sn остальных вырезов, при этом угол разворота относительно штыря связи составляет соответственно +(45±5)° или -(45±5)°, а соотношение площадей вырезов определяют из зависимости Sn+1/Sn=1,1±0,05.

Целесообразно, чтобы антенна имела высокочастотный разъем, соединяющий штырь с линией питания.

На фиг.1 представлен общий вид МПА с метаматериалом.

На фиг.2 - варианты топологий печатной платы.

На фиг.3 - эквивалентная схема МПА с метаматериалом.

На фиг.4 - фотография предложенной антенны.

На фиг.5 - коэффициент стоячей волны (КСВ) входов антенного элемента.

На фиг.6 - диаграммы направленности (ДН) микрополосковой антенны на частоте 1600 МГц.

На фиг.7 - азимутальная зависимость поля излучения для частоты 1600 МГц.

Микрополосковая антенна включает излучающую пластину 1, выполненную симметричной формы относительно ее центральной оси и имеющую по контуру 2n сквозных вырезов 2, где n=1, 2, 3…, со щелями, выходящими на край пластины 1 и емкостные элементы 3, укрепленные в вышеназванных щелях, и образующими вместе с вырезами 2 метаматериал (фиг.1).

Антенна также содержит диэлектрическую подложку 4, проводящий экран 5 и штырь связи 6, соединяющий пластину с линией питания.

Излучающая пластина расположена на диэлектрической подложке 4, под которой установлен экран 5.

Возможные варианты топологий антенного элемента представлены на фиг.2. Излучающая пластина 1 антенны выполнена любой из известных симметричных форм, например круглой, квадратной, многоугольной.

Элементы запитки представляют собой высокочастотный разъем (на фиг.1 не показан) и штырь 6. Штырь 6 одним концом присоединяется к разъему, а другим концом - к излучающей пластине 1. Место подключения штыря 6 к пластине выбирается из условия получения входного сопротивления, равного 50 Ом на центральной частоте диапазона. Это расстояние от центра пластины 1 составляет примерно треть от половины ее размера.

Проводящий экран 5 служит для создания преимущественно однонаправленного излучения (приема) микрополосковой антенны.

Вырезы 2 пластины 1 выполнены симметричной формы, например круглой, ромбовидной, квадратной, многоугольной, и могут иметь как одинаковую площадь, так и различную.

Для обеспечения излучения поля круговой поляризации вырезы 2 в пластине 1 выполняются неодинаковыми, а их расположение относительно элементов питания должно быть строго фиксировано.

Для правополяризованного поля вырезы 2, расположенные на одной оси по часовой стрелке от штыря 6 пластины 1, должны быть несколько больше по площади относительно остальных вырезов 1, а угол разворота относительно точки питания должен составлять +(45±5)°.

Для левополяризованного поля вырезы 2, расположенные на одной оси против часовой стрелки от точки питания пластины 1, должны быть несколько больше по площади относительно остальных вырезов 2, а угол разворота относительно точки питания должен составлять -(45±5)°.

Величина отличия площади увеличенных вырезов, как и их точное расположение в пределах заданного интервала углов, определяется параметрами диэлектрической проницаемости подложки 4 - ее толщиной и значением диэлектрической проницаемости. Эти величины определяются численным путем. Проведенные численные исследования различных конфигураций излучающей пластины, характерные результаты которых приведены в таблице для различных значений диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки и ее толщины, показали, что соотношение площадей вырезов можно определить из зависимости Sn+1/Sn=1,1±0,05.

Таблица
Форма излучающей пластины ε подложки Высота подложки Sn+1/Sn
квадратная 20 6 мм 1,05
квадратная 16 6 мм 1,08
октаэдр 9,5 3 мм 1,15
круглая 20 6 мм 1,05
квадратная 3,6 3 мм 1,15

Принцип работы микрополосковой антенны хорошо известен и состоит в том, что при подаче высокочастотного сигнала на вход антенны в ней возбуждаются высокочастотные колебания определенного типа, а излучение осуществляется за счет поля, «выступающего» из кромок антенны, а именно из зазоров между излучающей пластиной 1 и экраном 5.

В пластине 1 возможно возбуждение множества типов колебаний (мод), но только самая низшая из них формирует осевую ДН, высшие типы колебаний дают тороидальные ДН с провалом в осевом направлении. Низшими типами колебаний для простейших видов излучающей пластины 1 являются: мода ТМ10 для прямоугольного, мода ТМ11 для круглого излучателя. Для согласования пластины 1 с питающим штырем 6 точку его подключения (точку питания) необходимо совместить с точкой, в которой входное сопротивление равно 50 Ом на центральной частоте диапазона. В рабочем диапазоне частот входное сопротивление становится комплексным, а диапазон согласования по заданному значению КСВ тем шире, чем толще диэлектрическая подложка 4.

В рассматриваемой микрополосковой антенне излучающая пластина 1 выполнена по типу композитной кольцевой левовинтовой (векторы Е, Н, k образуют левую тройку векторов) передающей линии, образованной сосредоточенными емкостями C1 и индуктивностями L1 вырезов пластины 1.

Сосредоточенные емкости C1 и индуктивности L1 образуют метаматериал, который может быть представлен в виде эквивалентной CL-цепочки [фиг.3]. Через пластину 1 индуктивности L1 защунтированы на основание антенны посредством большой емкости, образованной пластиной 1 и экраном 5.

Включение метаматериала по периметру излучающей пластины 1 уменьшает ее габариты без уменьшения эффективности излучения.

Исходя из вышеописанных принципов была рассчитана и спроектирована навигационная антенна ГЛОНАСС/GPS (фиг.4). В конструкции излучающей пластины 1 применена керамика МТ16 с εг=16. Ее размеры составили 18 мм × 18 мм × 6 мм, а размеры экрана 5-19 мм × 19 мм

Экспериментальные характеристики этой антенны приведены на фиг.5-7.

Из приведенных данных видно, что антенна имеет широкую ДН, что крайне важно для навигационной антенны. Азимутальная зависимость поля излучения в дальней зоне имеют симметричную форму.

1. Микрополосковая антенна, включающая излучающую пластину, расположенный под ней экран, емкостные элементы, укрепленные на краях излучающей пластины, и штырь связи, соединяющий пластину с линией питания, отличающаяся тем, что антенна снабжена диэлектрической подложкой, на верхней поверхности которой расположена излучающая пластина, выполненная симметричной формы относительно ее центральной оси и имеющая по контуру 2n сквозных вырезов, где n=1, 2, 3…, со щелями, выходящими на край пластины, а емкостные элементы укреплены в вышеназванных щелях и образуют вместе с вырезами метаматериал.

2. Микрополосковая антенна по п.1, отличающаяся тем, что излучающая пластина выполнена любой из известных симметричных форм, например круглой, квадратной, многоугольной.

3. Микрополосковая антенна по п.1, отличающаяся тем, что вырезы пластины выполнены симметричной формы, например круглой, ромбовидной, квадратной, многоугольной.

4. Микрополосковая антенна по п.1, отличающаяся тем, что вырезы пластины выполнены одинаковой площади.

5. Микрополосковая антенна по п.1, отличающаяся тем, что вырезы, расположенные на одной оси пластины по или против часовой стрелки от штыря связи, выполнены площадью Sn+1 большей, чем площадь Sn остальных вырезов, угол разворота относительно штыря связи составляет соответственно +(45±5)° или -(45±5)°, а соотношение площадей вырезов определяют из следующей зависимости Sn+1/Sn=1,1±0,05.

6. Микрополосковая антенна по п.1, отличающаяся тем, что антенна имеет высокочастотный разъем, соединяющий штырь с линией питания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для оптимального управления комплексными взвешивающими устройствами в каналах антенных решеток по критерию максимума отношения сигнал/шум + помеха.

Изобретение относится к области расходометрии и может быть использовано для измерения уровня сыпучих веществ в резервуарах. .

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах связи при приеме широкополосных сигналов в условиях воздействия широкополосных помех.

Изобретение относится к бортовым радиолокационным станциям с фазированной антенной решеткой (ФАР), предназначенным для формирования радиолокационного изображения контролируемого участка земной поверхности и объектов на поверхности в координатах дальность - азимут или угол места - азимут в режиме реального луча при маловысотном полете летательного аппарата - носителя РЛС, также к бортовым радиотеплолокационным станциям, принимающим и усиливающим излученный тепловой сигнал в радиолокационном диапазоне длин волн.

Изобретение относится к антенному устройству и системе беспроводной связи. .

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве поворотного устройства для азимутального и угломестного перемещения антенны. .

Изобретение относится к области антенных систем и может быть использовано в системах спутниковой и мобильной связи СВЧ диапазона с активными фазированными антенными решетками с управляемой диаграммой направленности в дуплексном режиме.

Изобретение относится к антенной технике, а именно к приводам антенных систем, и может быть использовано в средствах локации, в судовых навигационных радиолокационных станциях (СН РЛС).

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для решения задачи формирования провала в диаграммах направленности (ДН) плоских фазированных антенных решеток (ФАР) путем изменения лишь фаз возбуждений ее элементов.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для оптимального управления комплексными взвешивающими устройствами в каналах моноимпульсных антенных решеток (MAP).

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокации для обнаружения целей, их захвата и сопровождения, например в радиолокационных системах управления оружием

Изобретение относится к антенной технике, в частности к активным пространственным передающим антенным решеткам миллиметрового диапазона волн, и может быть использовано при создании антенн с немеханическим качанием луча антенны для сверхскоростной (более 15 Гбит/с) спутниковой информации

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для управления комплексными взвешивающими устройствами в каналах антенных решеток по критерию максимума заданного энергетического функционала

Изобретение относится к радиолокационным системам сопровождения с повышенной точностью определения угловых координат

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для формирования диаграммы направленности (ДН) в связных или радиолокационных активных фазированных антенных решетках (АФАР). Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства за счет увеличения динамического диапазона, обеспечения возможности отладки и контроля алгоритма работы устройства и увеличение дальности передачи сформированных данных. Устройство формирования ДН АФАР содержит N идентичных каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные УПЧ, вход которых является входом канала, АЦП, коммутатор, на второй вход которого подключен выход ОЗУ, блок цифрового гетеродина, перемножитель, ко второму входу которого подключено ПЗУ, а квадратурный выход которого является выходом канала. Выходы всех N каналов подключены ко входам цифрового сумматора, выход которого подключен к последовательно соединенным цифровому фильтру, блоку сопряжения и оптическому передатчику, выход которого является выходом устройства. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к активным фазированным антенным решеткам (АФАР), которые предназначены для использования в РЛС. Техническим результатом является создание элемента АФАР отражательного типа с более высоким коэффициентом полезного действия и более низким уровнем шумов, способного работать в составе АФАР отражательного типа с двумя ортогональными круговыми поляризациями. Элемент активной фазированной антенной решетки отражательного типа, содержащий излучатель, фазовращатель проходного типа, усилитель, волноводный селектор круговых поляризаций с функцией преобразователя поляризаций, вход которого соединен с выходом фазовращателя, входом соединенным с излучателем, при этом выходы волноводного селектора круговых поляризаций с функцией преобразователя поляризаций подключены ко входам волноводно-полосковых переходов, к выходам которых подключен усилитель. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области измерений геофизических полей Земли и системам связи. Техническим результатом является реализация широкодиапазонной антенны, работающей во всем диапазоне частот зондирования ионосферы. Антенна для зондирования ионосферы выполнена в виде двух скрещенных в ортогональных плоскостях ромбов с длинами ребер 58 м одного и 26 м второго ромба, подвешенных на опорной мачте из композитного материала высотой 32 м, создающей геометрию главной диагонали ромбов, и двух пар вспомогательных мачт высотой 9 м для подвески вторых углов ромбов, растяжек расчаливания механического крепления мачт из полимерного материала и жил токонесущих проводов ромбов, расположенных по образующим цилиндра в качестве излучателей антенны, нагруженных на общее сопротивление, согласованное для режима бегущих волн в излучателях, подключенное к многолучевому заземлителю, выполненному по параллельной схеме, для режима зеркального противовеса. 5 ил.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для пространственного подавления помех путем формирования провалов («нулей») в диаграммах направленности фазированных антенных решеток (ФАР) в направлениях источников помех. Технический результат - повышение оперативности управления решеткой за счет возможности подавления лепестков высокого уровня. Для этого способ основан на взвешивании сигналов, принятых каждым излучателем, с помощью весовых коэффициентов, весовые коэффициенты находят как вектор, минимизирующий функционал ошибки, при определении которого используют информацию о направлении на источник сигнала и о распределении источников помех, в качестве максимизируемого функционала выбирают отношение мощности сигнала, принимаемого с заданного направления, к сумме мощностей шумов и помех, принимаемых антенной, а в качестве оптимального вектора весовых коэффициентов выбирают вектор, минимизирующий функционал ошибки. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к фазированным (ФАР) и активным фазированным антенным решеткам (АФАР), состоящим из приемных каналов, выходные сигналы которых оцифровываются с помощью аналогово-цифровых преобразователей и обрабатываются в процессорах бортовых цифровых вычислительных машин радиолокационных станций, головок самонаведения или систем радиопротиводействия. Техническим результатом является обеспечение углового сверхразрешения, мерой которого является ширина «сжатой» диаграммы направленности антенны (ДНАСЖ); уменьшение шумовой ошибки измерения угловых координат; и уменьшение времени обзора заданного сектора пространства за счет расширения диаграммы направленности антенны (ДНА). Это достигается за счет дополнительной обработки кодов цифровых выходных сигналов приемных каналов цифровой ФАР (АФАР) и формирования «сжатой» ДНАСЖ параллельно с обычной (несжатой) ДНА и совместной их обработки, а также формирования расширенной диаграммы направленности ФАР (АФАР). 7 ил.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат - повышение предела подавления помеховой импульсной мощности в узкополосных приемно-передающих каналах радиотехнических систем, работающих в диапазоне СВЧ, в условиях короткоимпульсных помеховых воздействий большой мощности при проведении испытаний на электромагнитную совместимость. Устройство защиты узкополосных приемно-передающих каналов радиотехнических систем, содержащее основную и дополнительную антенны, соединенные вычитающим элементом, содержит еще N≥1 пару из основной и дополнительной антенн и N≥1 вычитающий элемент, а также (N+1) узкополосных фильтров, которые образуют (N+1) взаимно ортогональных идентичных плеча устройства, состоящих каждое из одной пары основной и дополнительной антенн и последовательно включенных вычитающего элемента и узкополосного фильтра, при этом все антенны выполнены резонансными и идентичны друг другу, антенны попарно - основная и дополнительная - связаны с вычитающим элементом и фильтром, выполненными в виде объединенных отрезков экранированного волновода, в котором установлен режим бегущей волны, связь основной и дополнительной антенн с соответствующим волноводным вычитающим элементом в каждом плече осуществляется таким образом, чтобы синфазные сигналы с этих антенн возбуждали в волноводе противофазные поперечные пучности волноводного распределения электромагнитного поля. 3 ил.
Наверх