ШИРОКОПОЛОСНАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА Российский патент 1998 года по МПК H01Q1/38 

Изобретение относится к печатным микрополосковым антеннам и может быть использовано в радиосвязи и телевидении. Узкополосность микрополоскового излучателя ограничивает возможность его применения на практике. Полосу пропускания можно в некоторых пределах увеличить, уменьшая диэлектрическую проницаемость подложки и увеличивая ее толщину. Однако серьезной проблемой остается излучение из микрополосковой схемы питания и вертикального возбудителя. Можно значительно расширить полосу пропускания, используя подложку с потерями, но при этом падает КПД антенны. У микрополосковой спирали и многорезонансных микрополосковых антенн при расширении полосы частот до 20 - 30% снижается КПД или увеличивается высота антенны. Для расширения рабочей полосы можно было выбрать симметрический вибратор, плечи которого печатают на обеих сторонах тонкой положки, причем в качестве схемы питания использовать двухпроводную линию, расположенную на обеих сторонах подложки. С одной стороны конструкции размещен экран, отделенный от нее прокладкой из пенистого материала. В таком излучателе сохраняются основные преимущества микрополосковой антенны и возрастает ширина полосы пропускания микрополосковой антенны и возрастает ширина полосы пропускания при большой высоте над экраном, достигающая величины 20 - 25%, но имеет небольшое усилие.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является линейная копланарная антенная решетка, широкополосные свойства которой достигаются благодаря тому, что размеры микрополосковых излучателей и расстояния между ними изменяются по логопериодическому закону (Electronics Letters, 1980, vol. 16, N 4, p. 127 - 128). На заданной частоте возбуждаются и излучают только несколько элементов антенны. Эти элементы образуют активную зону, перемещающуюся с частотой вдоль антенны. Излучатели разнесены по оси антенны на половину длины волны на резонансной частоте. Однако указанная антенна имеет недостаточно широкую полосу пропускания при заданном числе излучателей и несколько повышенную нижнюю рабочую частоту.

Изобретение позволяет расширить полосу частот при небольших расстояниях от экрана и снижение резонансной частоты.

Это достигается тем, что в широкополосной микрополосковой антенне, содержащей расположенную над экраном на обеих сторонах подложки решетку излучателей и двухпроводную линию передачи, к одному проводнику которой на расстоянии половины соответствующей резонансной длины волны попеременно с разных сторон присоединены четвертьволновые вибраторы, а к другому на обратной стороне подложки под ними присоединены в середине полуволновые симметричные вибраторы, на всех плечах или на плечах некоторых логопериодически расположенных полуволновых симметричных вибраторов образованы поперечные зазоры, не превышающие по ширине толщу подложки.

На фиг. 1 схематически показано предлагаемое устройство, где обозначено: 1 - четвертьволновые вибраторы, 2 - микрополосковые резонаторы, 3 - двухпроводная линия передачи, 4 - подложка, 5 - экран, 6 - возбудитель. На фиг. 2 и 3 представлена конструкция предлагаемой антенны; на фиг. 4 - кривая КСВ в зависимости от частоты; на фиг. 5 - диаграммы направленности в плоскостях H и E.

На фиг. 2 с одной стороны подложки размещена одна логопериодическая полуструктура, состоящая из проводника двухпроводной линии с присоединенными к нему с конца четвертьволновыми вибраторами на резонансной частоте. Длины l и ширины b четвертьволновых вибраторов, а также расстояния S между ними связаны соотношением
τ = ln+1/ln = bn+1/bn = Sn+1/Sn.
Эти вибраторы разнесены по оси антенны на половину длины волны и присоединены попеременно с разных сторон. При этом поля соседних вибраторов в дальней зоне синфазны, а главный лепесток нормален к подложке.

На фиг. 3 с другой стороны подложки размещена полуструктура, в которой полуволновые симметричные вибраторы 2L на резонансной частоте присоединены посередине к другому проводнику линии передачи. Их длины L и ширины a, и расстояния между ними S также связаны геометрической прогрессией с масштабным множителем τ, но половина их длины берется, вообще говоря, меньшей или равной длине соответствующего четвертьволнового вибратора первой полуструктуры. Ширина a полуволнового вибратора, как правило, берется больше ширины b соответствующего четвертьволнового.

Для согласования, расширения рабочей полосы частот и снижения резонансной частоты между проводником линии передачи и плечами некоторых полуволновых вибраторов делается зазор, ширина которого подбирается экспериментально. Это достигается также зазорами в плесах вибраторов. Величина связи полуволновых вибраторов с четвертьволновыми зависит, кроме их длины и ширины, также от толщины подложки. Если выбрать связь большой, то энергия покидает линию передачи на участке нескольких излучателей и ДН антенны в Н - плоскости оказывается широкой. Если же связь слабая, то передача мощности из линии передачи к излучателям будет происходить более медленно, ДН будет более узкой, а КСВ меньшим. Двухпроводная линия возбуждается коаксиально-полосковым переходом 6 (фиг. 1). Подложка, имеющая толщину h, размещается над экраном на высоте H, которая может меняться приблизительно от величины 0,05λ до величины 0,25λ, при этом меняется полоса рабочих частот при приемлемом согласовании и коэффициент усиления (как правило, при очень малом расстоянии от экрана полоса частот уменьшается). Проведено большое число экспериментов предлагаемой антенны при разном числе вибраторов, разной длине и ширине полуволнового вибратора и соответствующего четвертьволнового, на подложках из разных материалов и разной толщины и исследовалось их влияние на диаграмму направленности, согласование и относительную полосу частот.

На фиг. 4 изображен график зависимости КСВ вблизи резонансной частоты макета антенны со следующими параметрами: число элементов 5 (на каждой стороне подложки), масштабный множитель τ = 0,95. Длины четвертьволновых вибраторов на одной стороне подложки 47,5 мм, 45 мм, 42,7 мм, 40,5 мм и 38,5 мм, длины полуволновых цельных вибраторов на другой стороне подложки (от одного конца к другому) 76 мм, 72 мм, 68 мм, 64,5 мм и 61 мм. Ширина четвертьволновых вибраторов меняется от 19 мм до 15 мм, а полуволновых от 23 мм до 19 мм. Ширина полоски линии передачи 10 мм. Расстояние между вибраторами 96 мм, 90 мм, 85,5 мм и 81 мм. Материал подложки ФАФ-4Д с относительной диэлектрической проницаемостью ε = 2,7. Расстояние до экрана 18 мм, что составляет 0,06 средней длины волны диапазона. Для согласования в широкой полосе частот и снижения нижней частоты диапазона выполнены зазоры в первом, во втором и четвертом полуволновом вибраторе, считая от точки возбуждения. Можно выполнить зазоры, если понадобиться, на других цельных полуволновых вибраторах непосредственно между плечами и линией передачи или в других сечениях на плечах вибраторов. КСВ антенны меньше 2,1 в полосе частот 775 - 1000 МГЦ, что составляет около - 23%. У антенны с 9 вибраторами рабочая полоса частот при КСВ < 2,1 составляет приблизительно 40%, тогда как у антенны - прототипа она не превышает 30%. Диаграмма направленности по мощности в плоскости Н на частоте 900 МГЦ указанного макета антенны изображена на фиг. 5. Ширина главного лепестка на уровне половинной мощности в плоскости Н по диапазону колеблется в пределах 42 - 50^o, расширяясь в сторону низких и сужаясь в сторону высоких частот. Диаграмма направленности в плоскости Е определяется излучением одного полуволнового вибратора и составляет приблизительно 84^o. Уровень боковых лепестков составляет приблизительно 11 - 12 дБ.

Использование предлагаемой антенны поперечного излучения позволяет увеличить относительную полосу частот пропускания при расположении подложки с антенной на небольшой высоте над экраном, а применение зазоров в плечах полуволновых вибраторов приводит к улучшению согласования и снижению резонансной частоты диапазона.

Шировополостность антенны, как указывалось выше, достигается в основном благодаря тому, что размеры микрополосковых вибраторов и расстояния между ними изменяются по логопериодическому закону и на заданной частоте возбуждаются и излучают только несколько элементов антенны. Смещение рабочей полосы частот в сторону низких частот и согласование антенны объясняются укорачивающим и согласующим действием емкости, которая образуется между плечами полуволновых вибраторов и линией передачи.

Предлагаемое изобретение относится к печатным микрополосковым антенным решеткам и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи и телевидении, в частности спутниковом телевидении. Технический результат - более широкая полоса частот и более низкая нижняя рабочая частота по сравнению с известными антеннами. Широкополосная микрополосковая антенна содержит расположенную над экраном на обеих сторонах диэлектрической подложки решетку излучателей и двухпроводную линию передачи, к одному проводнику которой на расстоянии половины соответствующей резонансной длины волны попеременно присоединены четвертьволновые вибраторы, а к другому на обратной стороне листа под ними присоединены в середине полуволновые симметричные вибраторы, причем на плечах всех или некоторых логопериодически расположенных полуволновых излучателях образованы зазоры, не превышающие по ширине толщину подложки. 5 ил.

Широкополосная микрополосковая антенна, содержащая расположенную над экраном на обеих сторонах подложки решетку излучателей и двухпроводную линию передачи, к одному проводнику которой на расстоянии половины соответствующей резонансной длины волны попеременно с разных сторон присоединены четвертьволновые вибраторы, а к другому на обратной стороне подложки под ними присоединены в середине полуволновые симметричные вибраторы, отличающаяся тем, что на всех плечах или на плечах некоторых логопериодически расположенных полуволновых симметричных вибраторов образованы поперечные зазоры, не превышающие по ширине толщину подложки.