Электрически малая антенна на основе метаматериала с высоким эффективным показателем диэлектрической проницаемости Российский патент 2024 года по МПК H01Q1/38 

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к электрически малым антеннам, в частности, работающим в диапазоне сверхвысоких частот (300 МГц - 300 ГГц).

При разработке различных радиотехнических систем все чаще требуются новые принципы построения функциональных устройств, минимизация их массогабаритных параметров одновременно с обеспечением широкополосности, надежности. Для решения некоторых подобных задач в антенной технике используют метаматериалы (см., например, Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты// Первая миля. Last Mile (Приложение к журналу “Электроника: Наука, Технология, Бизнес”). - 2010. - № 3 - 4. - С. 44 - 60).

В том случае, если размеры антенны заметно меньше длины волны, то сопротивление излучению существенно падает, и, соответственно, падает ее коэффициент полезного действия (КПД). Тем не менее, для ряда задач, таких как средства мобильной телекоммуникации, радиочастотные метки, устройства из категории «интернета вещей», необходимо уменьшение геометрических размеров антенны с соблюдением разумного компромисса между электрически малыми размерами и приемлемым КПД. Для уменьшения размеров антенн часто используются дорогостоящие материалы с высоким значением диэлектрической проницаемости (ДП), значение которой при массовом производстве может сильно варьироваться и приводить к ухудшению согласования.

Известен многослойный метаматериал с высоким эффективным значением диэлектрической проницаемости, который представляет собой массив слоев (CN 102744923 B, 24.12.2014). Каждый слой обеспечивает некоторый сдвиг значения диэлектрической проницаемости, тем самым возможно моделировать разные эффективные значения диэлектрической проницаемости, варьируя количество, а также изменяя топологию слоев.

Известен также метаматериал, который представляет собой электропроводящую сетку, образованную резонансными структурами, также служит для уменьшения геометрических размеров антенн (RU 2488926 С1, 27.07.2013). Примечательно, что такой метаматериал обладает отрицательным эффективным значением диэлектрической проницаемости. Известны методы одновременного увеличения апертуры и уменьшения размеров антенн с помощью метаматериалов (WO/2013/060115 А1,

02.05.2013). Другим альтернативным примером метаматериала для миниатюризации антенн является структура, представляющая собой высокоимпедансную поверхность (US 9583818 B2, 28.02.2017; RU 2571385, кл. H01P 1/20, 20.12.2015). Особенность такой поверхности заключается в том, что при расположении вблизи него вибратора, в поверхности индуцируется ток той же фазы, что усиливает излучение основного вибратора. В случае же с обычной металлической поверхностью индуцируемый ток был бы противофазным, что ослабляет излучение основного вибратора. Еще одним преимуществом рассматриваемого типа метаматериала является тот факт, что поверхностный ток не затекает на обратную сторону диэлектрической подложки, в которой выполнен метаматериал, что полностью уничтожает обратное излучение, что усиливает эффективность работы излучателя.

Другим методом уменьшения размеров антенны является интеграция излучающего элемента и метаматериала (US 10177594, 28.10.2015).

Антенна внедрена в однослойный метаматериал, представляющий собой массив металлических окружностей. Такой метаматериал также приводит к узконаправленной диаграмме направленности антенны.

Проблему уменьшения размеров антенных систем также решают с помощью комплексных видов метаматериалов, в которых к антенным системам применяют совокупность двух типов метаматериалов: левостороннего и правостороннего (US 7847739 B2, 07.12.2010). В таких случаях подложки метаматериалов состоят из двух блоков, каждый из которых представляет свой конкретный массив проводящих элементов.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является излучающая антенна, образованная в метаматериале (Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты. // Первая миля. Last Mile (Приложение к журналу “Электроника: Наука, Технология, Бизнес”). - 2010. - № 3-4. - С. 56, рис.30). Антенна встроена в метаматериал, состоящий из размещенного на подложке массива параллельных проводников, расположенных параллельно проводящему экрану.

Недостаток такой антенны состоит в сложности реализации и недостаточной технологичности, поскольку конструкция метаматериала не может быть реализована с помощью доступных методов изготовления печатных плат. Также отличием такой антенны является потенциальное уменьшение размеров антенны в силу сужения диаграммы направленности, тогда как в предлагаемой антенне уменьшение геометрических размеров антенны достигается с помощью заданного значения диэлектрической проницаемости метаматериала, являющегося подложкой.

Настоящее изобретение направлено на решение проблемы упрощения реализации и достижения воспроизводимости высокого эффективного значения диэлектрической проницаемости, значительно снижающего влияние окружающей среды на работу антенны, что является техническим результатом изобретения.

Патентуемая электрически малая антенна на основе метаматериала включает размещенные на диэлектрической подложке первый плоский металлический слой и периодическую систему проводящих элементов.

Отличие состоит в следующем. Введен второй параллельный первому металлический слой, периодическая система проводящих элементов размещена в теле диэлектрической подложки и образована массивом металлических цилиндров, ориентированных перпендикулярно указанным металлическим слоям, причем один торец каждого цилиндра имеет электрический контакт только с первым металлическим слоем, а второй торец - установлен с зазором относительно второго металлического слоя, при этом величина зазора выбрана из условия обеспечения заданного эффективного значения диэлектрической проницаемости.

Антенна может характеризоваться тем, что плотность массива металлических цилиндров составляет не менее 9 на 1 см². площади подложки, а также тем, что металлический цилиндр представляет собой металлизированное сквозное отверстие, выполненное в диэлектрической подложке, а кроме того, тем, что зазор между вторыми торцами упомянутых цилиндров и вторым металлическим слоем заполнен диэлектриком, толщина слоя которого составляет не более 0,1 мм. Вторые торцы цилиндров дополнительно содержат проводящие металлические площадки прямоугольной формы, имеющие электрический контакт с упомянутыми цилиндрами и размещенные с зазором относительно второго проводящего металлического слоя.

Существо изобретения поясняется на чертежах, где:

фиг. 1 - структура патентуемой антенны на основе метаматериала, разрез вдоль осевой линии цилиндров;

фиг.2 - вид сверху на подложку с цилиндрами;

фиг.3 - вид на антенну в аксонометрии;

фиг.4 - приближенная эквивалентная схема элементарной ячейки метаматериала;

фиг.5 - структура антенны на основе метаматериала с использованием металлических площадок в тонком диэлектрическом слое поверх металлических цилиндров, разрез вдоль осевой линии цилиндров;

фиг.6 - вид на антенну на основе метаматериала с использованием металлических площадок в аксонометрии;

фиг. 7 - график зависимости эффективного значения

диэлектрической проницаемости от расстояния между верхним электродом и металлизированными отверстиями;

фиг.8 - результат измерения Sll-параметра тестовой антенны на метаматериале.

На фиг.1-3 показана конструкция антенны. Электрически малая антенна включает размещенные на диэлектрической подложке 1 первый плоский металлический слой 2 и периодическую систему проводящих элементов 3. Выполнен второй параллельный первому металлический слой 4. Периодическая система проводящих элементов 3 размещена в диэлектрической подложке 1 и образована массивом периодически размещенных металлических цилиндров 5, ориентированных перпендикулярно указанным металлическим слоям 2,4. Один торец 51 каждого цилиндра 5 имеет электрический контакт только с первым металлическим слоем 2. Второй торец 52 каждого цилиндра 5 установлен с зазором 6 относительно второго металлического слоя 4. Величина d зазора 6 выбрана из условия обеспечения заданного эффективного значения диэлектрической проницаемости е_ед.

Плотность массива металлических цилиндров составляет не менее 9 штук на 1 см² площади подложки 1. Металлический цилиндр 5 представляет собой металлизированное сквозное отверстие 53, выполненное в диэлектрической подложке 1, которое покрыто слоем 54 металла. Зазор 6 между вторыми торцами 52 всего массива упомянутых цилиндров 5 и вторым металлическим слоем 4 заполнен диэлектриком 61, толщина d слоя которого составляет не более 0,1 мм.

Подложка 1 антенны может быть изготовлена из доступных материалов с низкой диэлектрической проницаемостью и c хорошей воспроизводимостью характеристик, что, однако, в составе антенны эквивалентно диэлектрику с высокой ДП.

Проводящий слой, который не имеет электрического контакта с цилиндрами, фактически является планарной антенной, которая является резонансной структурой. При этом достигается большое эффективное значение ДП метаматериала и наблюдается уменьшение фазовой скорости, что позволяет спроектировать антенну с уменьшенными размерами.

Размер элементарной ячейки выбираются так, чтобы ее размер не превышал одну десятую размера эффективной длины волны.

Пространство между цилиндрами и проводящими слоями заполнено известными из уровня техники диэлектрическим материалами, в частности, используемыми для СВЧ печатных плат, такими как ФАФ-4Д, Rogers, Arlon. Такие специальные диэлектрические материалы характеризуются (по сравнению со стандартным FR4) повышенной стабильностью величины диэлектрической проницаемости и низкими потерями в широком диапазоне рабочих частот (от единиц МГц до десятков ГГц).

Размер конструкции зависит от рабочей длины волны и может достигать одной десятой длины волны. Длина квадратной площадки 10, а также толщина слоя диэлектрика 1 составляют 1,5 мм.

Важно отметить, что размеры отверстий 5, площадок 10, толщина слоя диэлектрика 1, толщина зазора между цилиндрами и антенной выбираются также исходя из доступных технологий, размер последнего параметра прямо влияет на эффективное значение диэлектрической проницаемости. Диэлектрический зазор между проводящими цилиндрами и слоем 4 может быть выполнен посредством любых известных диэлектриков, в частности, даже воздуха. Также тонкий зазор можно реализовать в виде слоя клея, в таком случае антенна со слоем клея крепится поверх печатной платы, представляющей собой диэлектрическую подложку со сквозными металлизированными отверстиями с металлическим слоем с одной стороны платы.

Возможно также модифицировать антенну тем, что добавить поверх металлизированных отверстий 5 на стороне платы, где нет металлического слоя, металлические площадки 10 прямоугольной формы, размер m которых, как правило не превышает диаметр b отверстий более чем в 3 раз, а толщина f приблизительно равна t (фиг.5,6). В таком случае тонкий диэлектрический зазор 6 между проводящими цилиндрами 5 и слоем 4 может быть выполнен посредством напыления диэлектрического слоя, а также нанесением полимерной маски. При этом весь технологический цикл изготовления антенны проводится с помощью процесса напыления.

Эффективное значение диэлектрической проницаемости может принимать значения до 2250 в зависимости от толщины d зазора 6 между цилиндрами 5 и слоем 4. При испытаниях использовалась конструкция метаматериала и электрически малой антенны на основе печатной платы на СВЧ-материале Rogers.

Экспериментальное подтверждение эффективности данного метода получено для антенн диапазона СВЧ. Электрофизические параметры измерялись на частотном диапазоне 1-5 ГГц с помощью векторного анализатора посредством установленного программного обеспечения.

В описанной конструкции метаматериала существенную роль играет емкостной элемент, который образуется в тонком зазоре между поверхностью цилиндров 5 и слоем 4, а также индуктивный элемент, зависящий от расстояния между проводящими слоями. За счет высокого значения электроемкости достигается малое значение фазовой скорости (высокое эффективное значение диэлектрической проницаемости), что позволяет спроектировать электрически малую антенну на данном метаматериале.

Численные расчеты на основе выведенных формул, а также с помощью среды моделирования CST Studio показывают, что на частотах 0,8-2 ГГц при толщине d зазора между цилиндрами 5 и слоем 4 равной 2 мкм, эффективное значение диэлектрической проницаемости близко к 250; при толщине равной 250 нм, диэлектрическая проницаемость близка к 1500.

На фиг. 4 приведена приближенная эквивалентная схема элементарной ячейки метаматериала, где индуктивный элемент 62, зависящий от расстояния между проводящими слоями 2,4; индуктивность 7 металлического цилиндра 5, электроемкость 8 между торцом 52 цилиндра 5 и верхним проводящим слоем 4, малая совокупная электроемкость 9 между прочими элементами: между двумя проводящими слоями 2,4, между цилиндрами 5 в массиве.

На фиг. 7 представлен график зависимости эффективного значения диэлектрической проницаемости £_eff от толщины d зазора 6 между проводящим слоем 4 и цилиндрами 5, образованными металлизированными отверстиями 53. Кривая 11 - график зависимости, полученный с помощью расчета по оценочной формуле, учитывающей конфигурацию предложенного метаматериала. Кривые 12, 13, 14 - графики зависимости, полученные с помощью численного расчета в программной среде CST Studio, на частотах 800 МГц, 1200 МГц, 2000 МГц.

Область между торцами 52 цилиндров 5 и слоем 4 в силу тонкого диэлектрического зазора 6 характеризуется большим значением электроемкости 8. В силу пропорциональной зависимости это влечет соответствующее эффективное значение диэлектрической проницаемости, что в свою очередь позволяет создать электрически малую антенну в силу обратной зависимости размеров антенны от диэлектрической проницаемости окружающей среды.

Окружающая среда может оказывать сильное влияние на электрофизические параметры антенны. В предлагаемой антенне на метаматериале большое значение емкости между торцами 52 цилиндров 5 и слоем 4 приводит к тому, что основная доля электромагнитного поля антенны концентрируется в тонком диэлектрическом зазоре толщиной d. Поэтому только эта область оказывает основное влияние на параметры антенны, что обеспечивает слабое влияние окружающих объектов на работу антенны.

Способ реализации метаматериала с помощью технологии печатных плат обладает высоким качеством воспроизводимости заданного параметра диэлектрической проницаемости.

На фиг. 8 представлены результаты измерения SH-параметра тестовой антенны на метаматериале, где резонанс имеется на частоте 5070 МГц, что подтверждает увеличение эффективного значения диэлектрической проницаемости используемого в качестве подложки предложенного метаматериала, так как при длине 11 мм тестовой антенны в свободном пространстве пик на графике наблюдается на частоте 13636 МГц.

Пример. Реализована электрически малая антенна на основе метаматериала патентуемой структуры (фиг.1,2) со следующими размерами. Слой 2 выполнен из золота, толщина s=15 мкм; диэлектрическая подложка 1, выполнена из материала Rogers, толщина w=1,5 мм; металлический цилиндр 5 выполнен в виде сквозного отверстия 53 диаметром b=0,65 мм, покрытого слоем золота толщиной 1=5мкм. Верхний металлический слой 4, выполняющий функции антенны, выполнен из золота и имеет толщину h= 4 мкм. Зазор 6 составляет d=30 мкм.

На частотах 0,8-2 ГГц при толщине зазора между цилиндрами 5 и слоем 4 равной d=1,5 мкм, эффективное значение диэлектрической проницаемости близко к 250; при толщине равной 250 нм, диэлектрическая проницаемость близка к 1500.

В свободном пространстве частота, соответствующая половине длины волны 11 мм, равна 13636 МГц. Измерения SH-параметра показали, что резонанс наблюдается на частоте 5070 МГц (фиг. 8), что подтверждает влияние метаматериала как материала с повышенным значением диэлектрической проницаемости.

Предложенная конструкция антенны на основе метаматериала может работать с хорошей эффективностью как вблизи диэлектрических, так и металлических объектов. Это обусловлено тем, что большое значение электроемкости между цилиндрами и антенной приводит к тому, что основная доля распространяющегося электромагнитного поля сконцентрирована в тонком зазоре, от чего влияние окружающих объектов на метаматериал с антенной оказывается очень малым.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о достижении технического результата - обеспечении воспроизводимости высокого эффективного значения диэлектрической проницаемости, что значительно снижает влияние окружающей среды на работу антенны.

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к электрически малым антеннам, в частности, работающим в диапазоне сверхвысоких частот (300 МГц-300 ГГц). Электрически малая антенна включает размещенные на диэлектрической подложке 1 первый плоский металлический слой 2 и периодическую систему проводящих элементов 3. Выполнен второй параллельный первому металлический слой 4. Периодическая система проводящих элементов 3 размещена в подложке 1 и образована массивом периодически размещенных металлических цилиндров 5, ориентированных перпендикулярно указанным металлическим слоям 2, 4 . Один торец 51 каждого цилиндра 5 имеет электрический контакт только с первым металлическим слоем 2. Второй торец 52 каждого цилиндра 5 установлен с зазором 6 относительно второго металлического слоя 4. Величина d зазора 6 выбрана из условия обеспечения заданного эффективного значения диэлектрической проницаемости. Изобретение направлено на решение проблемы упрощения реализации и достижения воспроизводимости высокого эффективного значения диэлектрической проницаемости, значительно снижающего влияние окружающей среды на работу антенны. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Электрически малая антенна на основе метаматериала, включающая диэлектрическую подложку, первый проводящий металлический слой и периодическую систему проводящих элементов, отличающаяся тем, что введен второй проводящий параллельный первому металлический слой, периодическая система проводящих элементов размещена в теле диэлектрической подложки и образована массивом металлических цилиндров, ориентированных перпендикулярно указанным металлическим слоям, причем первый торец каждого цилиндра имеет электрический контакт только с первым проводящим слоем, а второй торец установлен с зазором относительно второго проводящего металлического слоя, при этом величина зазора выбрана из условия обеспечения заданного эффективного значения диэлектрической проницаемости.

2. Электрически малая антенна по п.1, отличающаяся тем, что плотность массива металлических цилиндров составляет не менее 9 штук на 1 см² площади подложки.

3. Электрически малая антенна по п.1, отличающаяся тем, что металлический цилиндр представляет собой металлизированное по образующей сквозное отверстие, выполненное в диэлектрической подложке.

4. Электрически малая антенна по п.1, отличающаяся тем, что зазор между вторыми торцами металлических цилиндров и вторым проводящим металлическим слоем заполнен диэлектриком, толщина слоя которого составляет не более 0,1 мм.

5. Электрически малая антенна по п.1, отличающаяся тем, что вторые торцы цилиндров дополнительно содержат проводящие металлические площадки прямоугольной формы, имеющие электрический контакт с упомянутыми цилиндрами и размещенные с зазором относительно второго проводящего металлического слоя.