ШИРОКОПОЛОСНАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА С ТРАПЕЦЕИДАЛЬНЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ Российский патент 2013 года по МПК H01Q1/38 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенно-фидерным устройствам, и может быть использовано преимущественно в системах радиосвязи и радионавигации.

Известна конструкция микрополосковой антенны (патент РФ 2020664, МПК H01Q 1/38), содержащей разделенный диэлектрической подложкой прямоугольный излучатель, имеющий треугольную форму в поперечном сечении, и экран, возбуждаемый коаксиальным кабелем, в которой в результате изменения изгиба излучающего элемента изменяется толщина полуоткрытого резонатора, образованного экраном и излучающим элементом. Следовательно, в резонаторе возбуждается не только основной тип волн ТЕ₁₁₀, что соответствует типовому для микрополосковой антенны режиму с излучением волн горизонтальной поляризации, но и волны типа ТЕ₀₁₁, что приводит к излучению также волн с вертикальной поляризацией.

Существенными недостатками микрополосковой антенны (патент РФ №2020664, МПК H01Q 1/38) является то, что при небольшой толщине резонатора (при углах изгиба излучающего элемента α>50°) режим работы с вертикальной поляризацией волн является эффективным только в области высоких частот, кроме того, способ возбуждения микрополосковой антенны на основе коаксиального кабеля приводит к узкой полосе рабочих частот.

Известна конструкция монопольной антенны (патент US 006788295 В2, МПК H01Q 9/00), содержащая эллиптический излучатель, имеющий треугольную форму в поперечном сечении, параллельную малой оси эллипса, с одним или двумя прямоугольными вырезами, параллельными большой оси эллипса, коаксиальный кабель или согласующее устройство из полосковой линии, осуществляющие возбуждение антенны. При этом излучающий элемент изогнут либо в направлении излучения, либо против направления излучения монопольной антенны с образованием двугранного угла симметрично относительно малой оси эллипса, чем достигается простота изготовления и легкость подстройки входных сопротивлений за счет изменения изгиба антенного элемента совместно с площадью вырезов, легкость интегрирования в радиотехнические системы.

Существенными недостатками данной антенны являются малая полоса пропускания (не более 10% от несущей частоты) и низкое значение коэффициента усиления в рабочей полосе частот.

Наиболее близким техническим решением является выбранная в качестве прототипа микрополосковая антенная решетка (Chia-Luan Tang, Jyh-Ying Chiou, Kin-Lu Wong. BROADBAND DUAL-FREQUENCY V-SHAPE PATCH ANTENNA // MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS. - 2000. - Vol.25. - №2, April. - P.121-123), содержащая прямоугольный излучатель, экранную плоскость, имеющую в центре Н-образную щель и возбуждаемая микрополосоковой линией со шлейфом, расположенная над экраном антенны, при этом излучатель изогнут в направлении излучения с образованием двугранного угла симметрично относительно плоскости симметрии, проходящей через ось симметрии возбуждающей микрополосковой линии.

Существенным недостатком микрополосковой антенны данной конструкции, ограничивающим возможности ее использования в качестве широкодиапазонной антенны портативного радиотехнического комплекса, является низкий уровень усиления, обусловленный тем, что в резонаторе, образованном излучателем и экранной плоскостью, появляется несколько типов волн, наличие которых формирует в электромагнитное поле две поляризации - горизонтальную и вертикальную, поскольку излучатель изогнут в сторону излучения антенны.

Технический результат изобретения заключается в увеличении коэффициента усиления антенны (более 9 дБ в рабочем диапазоне частот) и полосы рабочих частот по уровню 10% отраженной мощности (более 50% от несущей).

Технический результат достигается тем, что в микрополосковой антенне, включающей прямоугольный излучатель, экранную плоскость, имеющую в центре Н-образную щель, и возбуждаемой микрополосоковой линией со шлейфом, расположенной над экраном антенны, излучающий элемент изогнут в направлении излучения микрополосковой антенны таким образом, что в поперечном сечении имеет трапецеидальную форму, симметрично относительно плоскости симметрии микрополосковой антенны, проходящей через оси симметрии экранной плоскости с Н-образной щелью, прямоугольного излучающего элемента и возбуждающей микрополосковой линии.

На фиг.1 изображена конструкция трапецеидальной антенны; на фиг.2 приведена зависимость коэффициента отражения от частоты в рабочем диапазоне 1,5-2,5 ГГц; на фиг.3 приведена диаграмма Вольперта-Смита входного сопротивления антенны; на фиг.4 приведена зависимость коэффициента усиления от частоты в рабочем диапазоне частот.

Микрополосковая антенна содержит прямоугольный излучатель 1, состоящий из основания 2 и боковых частей 3, расположенных под углом к основанию 2, экранную плоскость с Н-вырезом 4, микрополосковую линию 5 со шлейфом 6, диэлектрическую подложку 7 и экран антенны 8.

СВЧ-энергия, поступающая по микрополосковой линии 5 и шлейфу 6 и образующая совместно с подложкой 7 и экраном 8 плоский волновод, излучается в пространство над экраном 8. Изменение длины шлейфа позволяет изменить входное сопротивление антенны, а значит подстроить уровень согласования с линией питания. Наличие Н-образной щели в экранной плоскости 4 является наилучшим решением для создания эффективной связи, а также для уменьшения обратного излучения антенны между возбуждающей микрополосковой линией 5 и излучателем 1. При такой системе возбуждения и связи достигается широкая полоса частот более 50% по уровню 10% отраженной мощности. Кроме того, в результате изгиба прямоугольного излучающего элемента в резонаторе, образованном излучателем 1 и экранной плоскостью 4, возбуждается преимущественно основной тип волны ТЕ₁₁₀, имеющей горизонтальную поляризацию. А боковые части излучателя вносят, с одной стороны, волны типа ТЕ₀₁₁, имеющие вертикальную поляризацию и ухудшающие характеристику усиления, с другой стороны, увеличивают апертуру антенны, что в свою очередь позволяет увеличить коэффициент усиления.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенно-фидерным устройствам, и может быть использовано преимущественно в системах радиосвязи и радионавигации. Технический результат изобретения заключается в увеличении коэффициента усиления антенны (более 9 дБ в рабочем диапазоне частот) и полосы рабочих частот более 50% по уровню 10% отраженной мощности. Излучающий элемент микрополосковой антенны, содержащей прямоугольный излучатель, размещенный над экранирующей поверхностью с Н-образной щелью и возбуждаемый микрополосковой линией со шлейфом, изогнут в направлении излучения микрополосковой антенны таким образом, что в поперечном сечении имеет трапецеидальную форму, симметрично относительно плоскости симметрии микрополосковой антенны, проходящей через оси симметрии прямоугольного металлического экрана с Н-образной щелью, прямоугольный излучающий элемент и возбуждающую микрополосковую линию. 4 ил.

Микрополосковая антенна, содержащая прямоугольный излучатель, размещенный над экранной плоскостью с Н-образной щелью и возбуждаемый микрополосковой линией со шлейфом, диэлектрическую подложку и экран антенны, отличающаяся тем, что излучающий элемент изогнут в направлении излучения микрополосковой антенны таким образом, что в поперечном сечении имеет трапецеидальную форму, симметрично относительно плоскости симметрии микрополосковой антенны, проходящей через оси симметрии экранной плоскости с Н-образной щелью, прямоугольного излучающего элемента и возбуждающей микрополосковой линии.