МАЛОГАБАРИТНАЯ СВЧ-АНТЕННА НА ОСНОВЕ МЕТАМАТЕРИАЛА Российский патент 2013 года по МПК H01Q9/00 

Описание патента на изобретение RU2473157C1

Область техники

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано при создании и изготовлении малогабаритных антенн, обеспечивающих сужение диаграммы направленности.

Уровень техники

Из уровня техники известна конструкция антенны, в которой для сужения диаграммы направленности используется решетка из нескольких излучателей, соединенных синфазно. Чем больше излучателей располагается в решетке, тем уже диаграмма направленности [Воскресенский Д.И., Грановская Р.А., Давыдова Н.С. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток). Под ред. Воскресенского Д.И. Москва: Радио и связь. 1981 год, 432 стр.].

Недостатком известного технического решения являются значительные массогабаритные характеристики (увеличение поперечных размеров антенны напрямую связано с ростом количества излучателей).

Наиболее близкой по сущности и достигаемому эффекту является конструкция антенны Фабри-Перо, включающая в свой состав излучатель, расположенный под слоем метаматериала на заданном расстоянии, и обеспечивающая сужение диаграммы направленности по сравнению с отдельно стоящим излучателем без слоя метаматериала [Lee D.H., Lee Y., Hao Y., Vardaxoglou Y., Park W.S. Perturbation input impedance matching technique for Fabry-Perot high gain antenna. Proc. Loughborough Antennas and Propagation Conference. Loughborough, UK. 17-18 March 2008. P.301-304].

Недостатками известного технического решения являются значительные массогабаритные характеристики антенны (антенна Фабри-Перо имеет поперечные размеры, в 5 раз большие по сравнению с ее излучателем).

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик СВЧ-антенн при одновременном сужении диаграммы направленности.

Технический результат заявленного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: малогабаритная СВЧ-антенна на основе метаматериала включает излучатель, состоящий из металлического экрана; диэлектрической подложки, расположенной на металлическом экране; металлической накладки, расположенной на диэлектрической подложке; фидерной линии для подачи питания, электрически соединенной через отверстие в металлическом экране и диэлектрической подложке с металлической накладкой; диэлектрическую опору, расположенную на излучателе, а также метаматериал, расположенный на диэлектрической опоре, при этом метаматериал выполнен в виде слоистой структуры с идентичными поперечными размерами с излучателем и диэлектрической опорой, не превышающими длину волны. Слоистая структура метаматериала выполнена из чередующихся слоев резонансных структур и диэлектрического основания, причем расстояние между слоями резонансных структур выбирается по формуле:

где λ - длина волны;

ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического основания.

Резонансная структура выполнена из регулярно расположенных электропроводящих элементов, число слоев резонансных структур слоистой структуры n выбирается из соотношения

1<n<5.

Резонансные структуры расположены симметрично друг над другом, при этом несоосность электропроводящих элементов резонансных структур выбирается из соотношения

r<λ/20,

где λ - длина волны.

Резонансные структуры выполнены на тонкой свободной полимерной пленке, расстояние от излучателя до слоистой структуры метаматериала подбирается таким образом, что фазовое распределение поля по поверхности диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала близко к линейному. Фазовое распределение поля по поверхности диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала определяется по формуле:

,

где s - расстояние от центра прямоугольного диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала до точки, в которой вычисляется фаза;

r - расстояние от излучателя до поверхности прямоугольного диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала;

λ - длина волны.

Краткое описание чертежей

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.

На фиг.1 представлено трехмерное изображение малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.

На фиг.2 представлен вид сверху малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.

На фиг.3 представлено поперечное сечение (А-А) малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.

На фиг.4 представлено трехмерное изображение излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.

На фиг.5 представлен вид сверху излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.

На фиг.6 представлено поперечное сечение (А-А) излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.

На фиг.7 представлена расчетная зависимость коэффициента стоячей волны (далее КСВ) излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала от частоты, характеризующая уровень отражений в фидерную линию.

На фиг.8 представлена расчетная нормированная ДН излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала в двух ортогональных плоскостях, характеризующая ширину луча.

На фиг.9 представлена расчетная зависимость КСВ от частоты малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала, характеризующая уровень отражений в фидерную линию.

На фиг.10 представлены ДН малогабаритной СВЧ - антенны на основе метаматериала и без метаматериала в двух ортогональных плоскостях, характеризующая ширину луча.

На фиг.1-6 обозначено следующее:

1 - фидерная линия излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;

2 - металлический экран излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;

3 - диэлектрическая подложка излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;

4 - металлическая накладка излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;

5 - диэлектрическая опора малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;

6 - диэлектрическое основание слоистой структуры метаматериала малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;

7 - токопроводящий элемент резонансной структуры метаматериала малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;

8 - слой резонансной структуры метаматериала малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.

Осуществление изобретения

Заявляемая малогабаритная СВЧ-антенна на основе метаматериала функционирует следующим образом.

При облучении излучателем, состоящим из металлического экрана (2), диэлектрической подложки (3), расположенной на металлическом экране (2), металлической накладки (4), расположенной на диэлектрической подложке (3) и фидерной линии (1) для подачи питания, электрически соединенной через отверстие в металлическом экране (2) и диэлектрической подложке (3) с металлической накладкой (4), метаматериала (см. фиг.1-6) каждый слой резонансной структуры метаматериала (8) переотражает в пространство электромагнитные волны, испускаемые излучателем, причем расстояние между слоями резонансной структуры метаматериала (8) подобрано так, что переотраженное в направлении нормали каждым слоем резонансной структуры метаматериала (8) излучение от излучателя складывается в фазе. Волны от излучателя, отраженные каждым слоем резонансной структуры метаматериала (8) в направлении, обратном максимуму излучения излучателя, складываются в противофазе друг к другу и подавляются. Волны от излучателя, отраженные каждым слоем резонансной структуры метаматериала (8) под углом к направлению нормали излучателя, частично ослабляются, причем ослабление тем сильнее, чем больше угол отклонения от нормали к излучателю и чем больше количество слоев резонансной структуры метаматериала (8). С увеличением количества слоев резонансной структуры метаматериала (8) эффект сужения диаграммы направленности усиливается, однако при количестве слоев резонансной структуры метаматериала (8) более четырех дальнейшее увеличения количества слоев резонансной структуры метаматериала (8) слабо влияет на ширину диаграммы направленности (см. таблицу 1).

Измерения ДН (см. таблицу 1) проводились на стенде, включающем: опорно-поворотное устройство, на котором размещалась измеряемая антенна; открытый отрезок волновода, запитываемый через коаксиально-волноводный переход генератором сигналов AgilentE8267D; измеритель мощности Agilent Е4418В, подключенный к выходу измеряемой антенны.

При реализации заявленной малогабаритной СВЧ-антенны в качестве излучателя использовался печатный излучатель (патч) с квадратными металлическими экраном и накладкой, с фторопластовой диэлектрической подложкой и смещенной коаксиальной запиткой. Диэлектрическое основание слоистой структуры метаматериала в предпочтительном варианте выполнено в форме квадрата, а токопроводящие элементы - в форме спиралей. Излучатель под слоем метаматериала расположен на расстоянии от излучателя, равном толщине диэлектрической опоры.

Реализация заявленной малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала показала следующие характеристики.

1. Расчетный КСВ излучателя с метаматериалом на частоте 20 ГГц составляет 1,55 (см. фиг.7).

2. Расчетная ширина нормированной ДН излучателя с метаматериалом по уровню -3 дБ на частоте 20 ГГц в двух ортогональных плоскостях составляет 40,6 и 37,7 градуса, а уровень боковых лепестков составляет -10 и -13 дБ (см. фиг.8а, б). Полученные значения говорят о сужении ДН излучателя по сравнению с излучателем в 2,1 и 1,5 раза в двух ортогональных плоскостях при аналогичном уровне боковых лепестков.

3. Измеренный КСВ излучателя с метаматериалом на частоте 20 ГГц составляет 1,5, что совпадает с расчетным значением (см. фиг.9) и является удовлетворительной величиной [2].

4. Измеренная ширина нормированной ДН излучателя с метаматериалом по уровню -3 дБ на частоте 20 ГГц в двух ортогональных плоскостях составляет 22 и 26 градусов, при этом уровень боковых лепестков составляет -11 и -12 дБ (см. фиг.10). Полученные значения говорят о большем (на 25%) сужении ДН излучателя с метаматериалом по сравнению с расчетным при малом повышении уровня боковых лепестков, что показывает значительный эффект от применения пластины метаматериала.

В таблице 2 представлено сравнение расчетных/измеренных характеристик излучателя с метаматериалом и аналога (антенна Фабри-Перо).

Таблица 2 Сравнение расчетных/измеренных характеристик излучателя с пластиной метаматериала и аналога. Расчетные/измеренные характеристики Излучатель с метаматериалом Аналог Плоскость диаграммы направленности Е H Е Н Ширина, мм 15,5 80 Высота, мм 17,5 7 Масса, г 6 50 Ширина ДН, град (расчетная/измеренная) 40,6/22 37,7/26 5 5

Как видно из представленных данных, происходит уменьшение массогабаритных характеристик заявленной малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала при одновременном сужении диаграммы направленности (для известных технических решений сужение диаграммы направленности достигается за счет увеличения массогабаритных характеристик), что и является техническим результатом заявленного изобретения.

Источники информации

1. Воскресенский Д.И., Грановская Р.А., Давыдова Н.С. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток). Под ред. Воскресенского Д.И. Москва: Радио и связь. 1981 год, 432 стр.

2. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. Москва.: Советское радио, 1974 год, стр.155, 157.

3. Lee D.H., Lee Y., Hao Y., Vardaxoglou Y., Park W.S. Perturbation input impedance matching technique for Fabry-Perot high gain antenna. Proc. Loughborough Antennas and Propagation Conference. Loughborough, UK. 17-18 March 2008. P.301-304.

Похожие патенты RU2473157C1

название год авторы номер документа
АНТЕННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ С УЗКОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ НА ОСНОВЕ МЕТАМАТЕРИАЛА 2011
  • Урличич Юрий Матэвич
  • Жуков Андрей Александрович
  • Веселаго Виктор Георгиевич
  • Виноградов Евгений Александрович
RU2488926C1
Антенный излучатель 2016
  • Буланцева Елена Анатольевна
  • Ганин Сергей Александрович
  • Денисенко Владимир Викторович
  • Дубовик Игорь Николаевич
  • Левитан Борис Аркадьевич
  • Радченко Валерий Петрович
  • Топчиев Сергей Александрович
  • Тушнов Пётр Анатольевич
RU2619806C1
Конструктивный элемент метаматериала из высокоомного кремния для приемных и передающих систем, монтируемый к излучателю антенны 2020
  • Тевяшов Александр Александрович
  • Серпокрылов Владислав Андреевич
  • Капустян Андрей Владимирович
  • Аджибеков Артур Александрович
RU2764539C1
МНОГОДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ С МЕТАМАТЕРИАЛОМ 2011
  • Урличич Юрий Матэвич
  • Авдонин Виталий Юрьевич
  • Бойко Сергей Николаевич
  • Королев Юрий Николаевич
RU2480870C1
РАЗВЯЗЫВАЮЩИЙ ФИЛЬТР НА МЕТАМАТЕРИАЛЕ 2014
  • Кухаренко Александр Сергеевич
  • Елизаров Андрей Альбертович
RU2571385C1
АНТЕННО-ФИДЕРНОЕ СВЧ-УСТРОЙСТВО ИЗ УГЛЕКОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2014
  • Дугин Николай Александрович
  • Заборонкова Татьяна Михайловна
  • Мясников Евгений Николаевич
  • Чугурин Виктор Владимирович
RU2577918C1
ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АНТЕННА 2014
  • Бойко Сергей Николаевич
  • Кухаренко Александр Сергеевич
  • Спиридонов Александр Евгеньевич
  • Яскин Юрий Сергеевич
RU2570844C1
Электрически малая антенна на основе метаматериала с высоким эффективным показателем диэлектрической проницаемости 2023
  • Ларионов Михаил Юрьевич
  • Соболев Александр Сергеевич
RU2816965C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАМАТЕРИАЛА (ВАРИАНТЫ) 2012
  • Веселаго Виктор Георгиевич
  • Жуков Андрей Александрович
  • Корпухин Андрей Александрович
  • Капустян Андрей Владимирович
  • Лаврищев Вадим Петрович
RU2522694C2
Способ взаимного размещения двух антенн с сохранением их функциональных характеристик 2019
  • Гавриков Андрей Юрьевич
  • Фадеева Мария Алексеевна
  • Чистяков Никита Сергеевич
  • Балбеков Виктор Константинович
  • Стрелец Михаил Юрьевич
RU2697889C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 473 157 C1

Реферат патента 2013 года МАЛОГАБАРИТНАЯ СВЧ-АНТЕННА НА ОСНОВЕ МЕТАМАТЕРИАЛА

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано при создании и изготовлении малогабаритных антенн, обеспечивающих сужение диаграммы направленности. Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик СВЧ-антенн при одновременном сужении диаграммы направленности. Малогабаритная СВЧ-антенна на основе метаматериала включает излучатель, состоящий из металлического экрана; диэлектрической подложки, расположенной на металлическом экране; металлической накладки, расположенной на диэлектрической подложке; фидерной линии для подачи питания, электрически соединенной через отверстие в металлическом экране и диэлектрической подложке с металлической накладкой; диэлектрическую опору, расположенную на излучателе, а также метаматериал, расположенный на диэлектрической опоре, при этом метаматериал выполнен в виде слоистой структуры с идентичными поперечными размерами с излучателем и диэлектрической опорой, не превышающими длину волны. 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

Формула изобретения RU 2 473 157 C1

1. Малогабаритная СВЧ-антенна на основе метаматериала, включающая излучатель, состоящий из: металлического экрана; диэлектрической подложки, расположенной на металлическом экране; металлической накладки, расположенной на диэлектрической подложке; фидерной линии для подачи питания, электрически соединенной через отверстие в металлическом экране и диэлектрической подложке с металлической накладкой; диэлектрическую опору, расположенную на излучателе, а также метаматериал, расположенный на диэлектрической опоре, при этом метаматериал выполнен в виде слоистой структуры с идентичными поперечными размерами с излучателем и диэлектрической опорой, не превышающими длину волны.

2. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.1, в которой слоистая структура метаматериала выполнена из чередующихся слоев резонансных структур и диэлектрического основания, причем расстояние между слоями резонансных структур выбирается по формуле

где λ - длина волны;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического основания.

3. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.2, в которой резонансная структура выполнена из регулярно расположенных электропроводящих элементов.

4. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.3, в которой число слоев резонансных структур слоистой структуры n выбирается из соотношения
l<n<5.

5. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.4, в которой резонансные структуры расположены симметрично друг над другом, при этом несоосность электропроводящих элементов резонансных структур выбирается из соотношения
r<λ/20,
где λ - длина волны.

6. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.5, в которой резонансные структуры выполнены на тонкой свободной полимерной пленке.

7. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.6, в которой расстояние от излучателя до слоистой структуры метаматериала подбирается таким образом, что фазовое распределение поля по поверхности диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала близко к линейному.

8. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.7, в которой фазовое распределение поля по поверхности диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала определяется по формуле

где s - расстояние от центра прямоугольного диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала до точки, в которой вычисляется фаза;
r - расстояние от излучателя до поверхности прямоугольного диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала;
λ - длина волны.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2473157C1

КОМПАКТНАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИКА (ВАРИАНТЫ) 2008
  • Татарников Дмитрий Витальевич
  • Астахов Андрей Витальевич
  • Степаненко Антон Павлович
  • Шаматульский Павел Петрович
RU2390890C2
Активная малогабаритная свч антенна 1970
  • Буйвол-Кот Ю.И.
  • Цыбаев Б.Г.
  • Чупров М.Е.
  • Романов Б.С.
  • Забелин В.С.
SU306787A1
СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕ11ИЯ АЛЮМОХРОМКАЛИЕВОГО КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ СИНТЕЗА ТИОФЕНА И ЕГО ГОМОЛОГОВ 0
  • В. Б. Абрамович, Г. Г. Гарифз Нов, Н. Я. Еременко, Б. М. Марь Нов, Р. Масагутов, А. Ф. Соедова, М. Ф. Панкратова Р. И. Черкасов
SU241402A1
СПОСОБ, МОБИЛЬНАЯ СТАНЦИЯ И БАЗОВАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ЧАСТОТНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ ДЛЯ МОБИЛЬНОЙ СТАНЦИИ В СИСТЕМЕ РАДИОСВЯЗИ 1998
  • Риттер Герхард
  • Кляйн Аня
RU2220505C2
Способ зарядки электрофотографических пластин 1971
  • Жан-Клод Маркман
  • Ги Поль Вебер
SU598580A3

RU 2 473 157 C1

Авторы

Веселаго Виктор Генадьевич

Жуков Андрей Александрович

Бредихин Игорь Юрьевич

Аджибеков Артур Александрович

Гольтякова Валентина Ивановна

Даты

2013-01-20Публикация

2011-11-17Подача