Двухдиапазонная дипольная печатная антенна Российский патент 2023 года по МПК H01Q3/38 H01Q1/38 H01Q5/48 

Предлагаемое изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для проектирования, моделирования и изготовления двухдиапазонных антенн. Технический результат заключается в возможности раздельного управления центральными частотами полос согласования антенны, а также уменьшении габаритных размеров антенны. Технический результат достигается тем, что приведённые формулы для расчета центральных частот согласования антенны позволяют изменять центральные частоты полос согласования антенны независимо друг от друга, а также при отсутствии симметрирующего устройства в системе питания антенны.

Известно устройство Патент США №US20160294063A1. Представленная антенна выполнена по методу изготовления печатных плат, на листе диэлектрика с нанесенными с двух сторон токопроводящими металлическими рисунками. Частота согласования антенны определяется длиной диполей. Длина диполя антенны соответствует классической дипольной антенне и несколько отличается от половины длины волны. Антенна обладает линейной поляризацией.

Однако в указанном устройстве плечи дипольной антенны выполнены на одной стороне печатной платы. Распределительная система выполнена с обоих сторон диэлектрической подложки и имеет сложную систему симметрирования и согласования антенны. Так же в устройстве присутствует согласующее устройство, имеющее некоторую длину, что увеличивает габаритный размер антенны. Для реализации симметрирующего устройства необходимо два металлизированных переходных отверстия, что усложняет технологический процесс производства антенны. Форма диполей отличается от классического представления дипольной антенны. Расширяющаяся к концам структура усложняет предварительный расчет антенны. Нижнему частотному диапазону присуще равномерное увеличение ширины излучающего элемента, в то время как высокочастотный диполь имеет значительное расширение в виде прямоугольника лишь на конце диполя.

Наиболее близким к заявляемому устройству является патент №RU2432646 С1 Горбачев А.П., Евдокимов Т.А, Хлопина А.Г. Двухдиапазонная печатная дипольная антенна со сниженными габаритно-массовыми показателями. Эта антенна выполнена по методу печатных плат. На листе диэлектрика нанесены проводящие металлические рисунки с обеих сторон. Плечи двухдиапазонной дипольной антенны выполнены в четверть длины волны рабочего диапазона.

Однако в указанном устройстве присутствует симметрирующее устройство типа «ласточкин хвост». Использование щелевой связи между излучающими элементами антенны приводит к необходимости использования симметрирующего устройства, за счёт которого габаритно-массовые показатели антенны остаются весьма значительными. Диполи антенны выполнены на одной стороне печатной платы, на обратной стороне выполнено симметрирующее устройство. Так же отмечается, что относительная ширина полосы пропускания нижней рабочей частоты значительно шире, полосы пропускания верхней рабочей частоты антенны.

Таким образом, заявляемым техническим результатом является двухдиапазонная дипольная антенна, позволяющая раздельно управлять центральными частотами согласования и не требующая в своем составе симметрирующего устройства, что позволяет уменьшить ее габаритный размер.

Поставленная задача достигается тем, что плечи двух диполей, каждый из которых настроен на свою резонансную частоту, и питающая линия передачи выполнены на разных сторонах диэлектрического основания, а диполи соединены между собой коротким отрезком высокоомной линии передачи.

Топология предлагаемой двухдиапазонной антенны представлена на фиг.1. Антенна представляет собой двухстороннюю печатную плату с нанесенным металлическим рисунком. На одной стороне диэлектрика нанесено одно плечо каждого из диполей (на низкую и высокую центральную частоту) и одна сторона питающей линии (на фиг.1 изображено сплошными линиями). На другой стороне – вторые плечи диполей и вторая сторона питающей линии (на фиг.1 изображено пунктирными линиями). Жесткость конструкции обеспечивается материалом диэлектрической подложки.

Питание антенны возможно либо от микрополосковой линии передачи, либо от коаксиального кабеля. В первом случае основание питающей микрополосковой линии передачи соединяется с одной из сторон питающей линии передачи антенны, а с другой стороной питающей линии передачи соединяется полосок. Во втором случае оплетка коаксиального кабеля припаивается к одной из сторон питающей линии передачи антенны. Центральная жила коаксиального кабеля припаивается к другой стороне питающей линии передачи антенны. Ширина питающей линии передачи должна обеспечивать волновое сопротивление 50 Ом. Использование лицевой связи между питающими линиями передачи антенны позволило исключить из состава двухдиапазонной антенны симметрирующее устройство.

Предлагаемое устройство содержит на лицевой стороне листа диэлектрической подложки (на фиг. 1 обозначено цифрой 1) следующие элементы:

Ld1 – длина плеча высокочастотного диполя (на фиг. 1 обозначено цифрой 2);

Ld2 – длина низкочастотного диполя (на фиг. 1 обозначено цифрой 3);

l1 – отрезок линии передачи с волновым сопротивлением 100 Ом (на фиг. 1 обозначено цифрой 4), осуществляющий связь высокочастотного и низкочастотного диполей;

l2 – трансформирующий отрезок линии с волновым сопротивлением 70,7 Ом (на фиг. 1 обозначено цифрой 5), согласующий антенну с питающей линией передачи;

l3 – отрезок питающей линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом (на фиг. 1 обозначено цифрой 6).

Обратная сторона диэлектрической подложки имеет зеркально отраженную, относительно оси симметрии (на фиг. 1 обозначено цифрой 7), топологию лицевой стороны.

Расчет размеров двухдиапазонной антенны производится по следующим формулам:

,

где – длина короткого плеча дипольной антенны, – средняя длина волны в диэлектрике для верхнего диапазона рабочих частот.

,

где – длина длинного плеча дипольной антенны, – средняя длина волны в диэлектрике для нижнего диапазона рабочих частот.

,

где – зазор между диполями, являющийся трансформирующим отрезком линии передачи с волновым сопротивлением 100 Ом.

,

где – длина трансформирующего отрезка линии передачи с волновым сопротивлением 70,7 Ом.

,

где – длина питающего отрезка линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом.

,

где – ширина высокочастотного диполя.

,

где – ширина низкочастотного диполя.

– ширина микрополосковой линии передачи с волновым сопротивлением 100 Ом, – ширина микрополосковой линии передачи с волновым сопротивлением 70,7 Ом, – ширина микрополосковой линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом.

Например, рассмотрим синтез двухдиапазонной антенны для частот Wi-Fi-диапазона. Все дальнейшие размеры, приведенные в данной работе, будут соответствовать центральным частотам 2,45 ГГц, 5,5 ГГЦ. В качестве диэлектрической подложки использован стеклотекстолит FR-4 толщиной 0,5 мм. Это значение обеспечивает необходимую жесткость, с невысокими диссипативными потерями. Рассчитанные геометрические размеры двухдиапазонной антенны приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Рассчитанные геометрические размеры антенны

Название Длина, мм l1 0,853 l2 0,426 l3 4,26 Ld1 8,54 Ld2 23,29 Wd1 2,63 Wd2 1,18 W1 0,207 W2 0,496 W3 0,954

По геометрическим размерам, приведенным в таблице 1, составлена электродинамическая модель антенны. В результате моделирования получена зависимость модуля коэффициента отражения от частоты (S11), которая приведена на фиг.2. Относительная полоса пропускания нижнего частотного диапазона по уровню КСВН равному 2 (S11 = -10 дБ) составила 10%, в то время как для верхнего частотного диапазона она превысила 22%. Результат моделирования диаграммы направленности представлен на фиг.3 – фиг.6. На фиг.3 представлено сечение диаграммы направленности двухдиапазонной антенны в плоскости Е, на центральной частоте 2437 МГц. На фиг.4 представлено сечение диаграммы направленности двухдиапазонной антенны в плоскости Н, на центральной частоте 2437 МГц.

На фиг.5 представлено сечение диаграммы направленности двухдиапазонной антенны в плоскости Е, на центральной частоте 5500 МГц. На фиг.6 представлено сечение диаграммы направленности двухдиапазонной антенны в плоскости Н, на центральной частоте 5500 МГц.

Для рабочих частот каналов Wi-Fi результаты моделирования сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Параметры двухдиапазонной антенны на каналах работы Wi-Fi

Частота, МГц КСВН Коэффициент усиления, дБи 2412 1,4 8,22 2437 1,3 8,24 2472 1,2 8,28 5180 1,4 7,72 5300 1,2 7,77 5500 1,1 7,87 5660 1,3 8 5805 1,5 8,15

Таким образом, достигается технический результат за счет того, что плечи диполей выполнены на разных сторонах тонкой диэлектрической подложки с низким значением тангенса угла диэлектрических потерь, диполи соединены друг с другом коротким отрезком линии передачи с волновым сопротивлением 100 Ом, а с питающей линией передачи с волновым сопротивлением 50 Ом соединены отрезком линии передачи с волновым сопротивлением 70,7 Ом, запитка антенны осуществляется путем подключения заземленного полюса генератора к одной из сторон питающей линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом, а сигнального полюса генератора к другой стороне питающей линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом.

Изобретение относится к антенной технике и служит для проектирования, моделирования и изготовления двухдиапазонных антенн. Технический результат - раздельное управление центральными частотами полос согласования антенны, а также уменьшение габаритных размеров антенны. Технический результат достигается тем, что плечи диполей выполнены на разных сторонах тонкой диэлектрической подложки с низким значением тангенса угла диэлектрических потерь, диполи соединены друг с другом коротким отрезком линии передачи с волновым сопротивлением 100 Ом, а с питающей линией передачи с волновым сопротивлением 50 Ом соединены отрезком линии передачи с волновым сопротивлением 70,7 Ом, антенна выполнена с возможностью осуществления запитки путем подключения заземленного полюса генератора к одной из сторон питающей линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом, а сигнального полюса генератора к другой стороне питающей линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом. 6 ил., 2 табл.

Двухдиапазонная печатная антенна, состоящая из двух металлических диполей, размещенных на диэлектрической подложке, каждый из диполей настроен на требуемую центральную частоту, отличающаяся тем, что плечи диполей выполнены на разных сторонах тонкой диэлектрической подложки с низким значением тангенса угла диэлектрических потерь, диполи соединены друг с другом коротким отрезком линии передачи с волновым сопротивлением 100 Ом, а с питающей линией передачи с волновым сопротивлением 50 Ом соединены отрезком линии передачи с волновым сопротивлением 70,7 Ом, антенна выполнена с возможностью осуществления запитки путем подключения заземленного полюса генератора к одной из сторон питающей линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом, а сигнального полюса генератора к другой стороне питающей линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом.