ПОДЗЕМНАЯ ПАТЧ-АНТЕННА МЕТРОВЫХ ВОЛН Российский патент 2024 года по МПК H01Q9/00 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны приемного устройства диапазона метровых волн.

Патч-антенны, относящиеся к классу электрически малых антенн (ЭМА), находят все большее применение в радиоэлектронных устройствах приема и передачи, которые характеризуются уменьшенными габаритными размерами, малой себестоимостью, использование которых позволит повысить надежность функционирования приемных центров радиосвязи декаметровых (ДКМВ), метровых (MB) волн, за счет скрытого подземного размещения антенн.

Близким техническим решением к заявляемой антенне является печатная антенна (патент RU 2400877С1), содержащая варианты выполнения антенн, в которых:

- нижний диэлектрический слой и нижний и средний металлические слои выполнены квадратной формы, причем нижний диэлектрический слой, а также нижний и средний металлические слои имеют одинаковые размеры, крестообразная щель имеет длину, равную стороне среднего металлического слоя, ее центр совпадает с центром среднего металлического слоя, оси пересекающихся щелей параллельны краям среднего металлического слоя, а металлические перемычки расположены на диагоналях нижнего диэлектрического слоя на одинаковом расстоянии от его центра;

- печатная антенна содержит один элемент возбуждения, расположенный на диагонали нижнего диэлектрического слоя, а верхний диэлектрический слой и верхний металлический слой выполнены в виде геометрических фигур, имеющих две плоскости симметрии, но не имеющих симметрию поворота на 90 градусов относительно прямой, образованной пересечением указанных плоскостей симметрии, а указанная прямая проходит через центр нижнего диэлектрического слоя перпендикулярно указанному слою;

- печатная антенна содержит два элемента возбуждения, которые расположены на разных диагоналях нижнего диэлектрического слоя на одинаковом расстоянии от его центра, а верхний диэлектрический слой и верхний металлический слой выполнены в виде геометрической фигуры, обладающей симметрией поворота на 90 градусов вокруг оси, проходящей через центр нижнего диэлектрического слоя перпендикулярно указанному слою;

- печатная антенна содержит четыре элемента возбуждения, которые расположены на диагоналях нижнего диэлектрического слоя на одинаковом расстоянии от его центра, а верхний диэлектрический слой и верхний металлический слой выполнены в виде геометрической фигуры, обладающей симметрией поворота на 90 градусов вокруг оси, проходящей через центр нижнего диэлектрического слоя перпендикулярно указанному слою;

- металлические перемычки выполнены в виде пар проводников, причем проводники в каждой паре расположены симметрично относительно диагоналей нижнего диэлектрического слоя и все пары расположены на одинаковом расстоянии от его центра.

В среднем металлическом слое выполнена крестообразная щель, состоящая из двух пересекающихся щелей и введением четырех металлических перемычек, соединяющих средний и нижний металлические слои.

Такая антенна может обеспечить расширение рабочего диапазона частот УКВ с двумя выраженными резонансами. Недостатком данной антенны является ограничение частотного диапазона сверхвысокими частотами, сложностью технологического подбора двухрезонансного режима работы и обеспечения согласования.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой антенне является печатная антенна ([1] - прототип), содержащая вариант выполнения патч-антенны в которой:

на квадратной тонкой металлической подложке (подстилающей поверхности) размещается первый изоляционный слой (диэлектрический материал) в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием. На первый изоляционный слой накладываются четыре одинаковых квадратных металлических листа, ориентированных по углам первого изоляционного слоя, выступающих в роли верхних обкладок открытых резонаторов. Центр каждого квадратного металлического листа (верхней обкладки) закорочен вертикальной металлической тонкопроволочной перемычкой на металлическую подложку через подготовленное отверстие в изоляционном материале. Поверх четырех обкладок открытых резонаторов укладывается по центру второй изоляционный слой (диэлектрический материал) в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием. На второй слой изолятора укладывается квадратный металлический лист (патч). Квадратная металлическая подложка (подстилающая поверхность), первый изоляционный слой (диэлектрический материал), второй изоляционный слой (диэлектрический материал), квадратный, тонкий металлический лист (патч) располагаются один над другим на вертикальной оси симметрии антенны по принципу пирамиды

К нижней стороне металлического листа (патча) подсоединен на одной из осей симметрии горизонтальной плоскости металлический стержень (элемент возбуждения), расположенный в подготовленном отверстии в двух изоляционных слоях (параллелепипедах). К металлическому стержню обеспечивается подключение центральной жилы питающего коаксиального кабеля. Подключение оплетки коаксиального кабеля обеспечивается к тонкой квадратной металлической подложке (подстилающей поверхности).

Недостатком данной антенны является ограничение по направлению формирования главных лепестков диаграммы направленности вдоль одной горизонтальной оси симметрии антенны.

Предлагаемое техническое решение нацелено на реализацию возможности формирования диаграммы направленности по двум горизонтальным осям симметрии, что обеспечит прием радиосигнала с четырех направлений.

Указанный технический результат достигается тем, что на подстилающей поверхности в виде квадратной металлической подложки расположен диэлектрический материал в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, образующий первый изоляционный слой, при этом на ней размещены четыре квадратных металлических листа, равно ориентированных по углам первого изоляционного слоя, являющихся верхними обкладками открытых резонаторов, центры которых соединены металлическими вертикальными перемычками с металлической подложкой через отверстия в первом изоляционном слое, на упомянутых металлических листах расположен второй изоляционный слой диэлектрического материала в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, ориентированный по вертикальной оси симметрии антенны, при этом на нем установлен квадратный металлический лист (патч), к нижней поверхности которого подсоединены два металлических стержня в точках, равноудаленных от его центра, расположенных ортогонально на двух осях симметрии горизонтальной плоскости в отверстиях двух изоляционных слоев, причем габаритные размеры второго изоляционного слоя и упомянутого квадратного металлического листа (патча) выполнены меньше аналогичных габаритных размеров первого изоляционного слоя и первого металлического листа, при этом упомянутые элементы установлены в антенне по типу пирамиды. Точное местоположение металлических стержней подбирается экспериментально для достижения согласования по волновому сопротивлению. К металлическим стержням обеспечивается подключение центральных жил соединительных коаксиальных кабелей. Подключение оплетки соединительных коаксиальных кабелей обеспечивается к подстилающей поверхности.

Вариант выполнения патч-антенны показан на фиг.1, 2.

На фиг.1 показан общий вид антенны, содержащей квадратную металлическую подложку (подстилающую поверхность) (1), диэлектрический материал в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, образующий первый изоляционный слой (2), четыре квадратных металлических листа, равно ориентированных по углам первого изоляционного слоя (3), второй изоляционный слой диэлектрического материала в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, ориентированный по вертикальной оси симметрии антенны (4), квадратный металлический лист (патч) (5), на фиг.2 показаны: квадратная металлическая подложка (подстилающая поверхность) (1), квадратные металлические листы (3), два металлических стержня (элемента возбуждения) (6), металлические вертикальные перемычки с металлической подложкой (подстилающей поверхностью) (7).

Функционирование патч-антенны наиболее простым образом можно понять, рассматривая ее как плоскую металлическую структуру квадратной формы, расположенную над слоем диэлектрика с металлическим экраном (подстилающей поверхностью) в которой возбуждается электромагнитное поле от коаксиальных кабелей через металлические стержни или падающая электромагнитная волна от стороннего источника возбуждает электромагнитное поле в патч-антенне, которое фиксируется в виде выходного сигнала на контактах «металлические стержни - подстилающая поверхность».

Данная структура представляет собой открытый с торцов объемный резонатор, характеризующийся собственной резонансной частотой ƒ_ПА

где с - скорость света, b - сторона квадратного патча, ε_S - суммарная диэлектрическая проницаемость материала изоляционного слоя между патчем и подстилающей поверхностью. Из соотношения (1) вытекает

Согласно подходам, изложенным в работах [2-4], в конструкцию общей подложки патч-антенны введена метаматериальная подложка на основе четырех резонаторов с общей подстилающей поверхностью в виде квадратной металлической подложки (1), центры верхних обкладок (квадратных металлических листов (3)) которых закорочены на подстилающую поверхность антенны металлическими вертикальными перемычками (7). Такое конструктивное объединение образует слой изолятора патч-антенны из четырех параллельно соединенных открытых резонаторов (параллельных колебательных контуров, где четыре квадратных металлических листа (3) выполняют функцию верхних обкладок конденсаторов, квадратная металлическая подложка (1) функцию нижней общей обкладки конденсаторов, а вертикальные металлические перемычки - функцию катушек индуктивности) с частотой собственного резонанса метаматериальной подложки, определенной по формуле где - сторона метаматериальной подстилающей поверхности, ε₁ - диэлектрическая проницаемость первого изоляционного слоя (диэлектрического материала).

Согласно [5] в прямоугольных (квадратных) резонаторных антеннах обычно используется низший тип резонанса, при котором где λ_ПА - длина волны плоской резонаторной антенны. Вертикальная составляющая электрического поля E_z в поперечном сечении плоского резонатора между пластиной и экраном распределяется почти равномерно, а в продольном - по синусоидальному закону с пучностями на краях пластины.

Принцип работы данной патч-антенны возможно пояснить следующими этапами: в двухслойном пространстве между верхним квадратным металлическим листом (патчем) (5) и квадратной металлической подложкой (подстилающей поверхностью) (1) через металлические стержни (элементы возбуждения) (6) возбуждается электромагнитное поле.

При чем, процесс возбуждения собственных электромагнитных колебаний в слое метаматериальной подложки с частотой резонанса ƒ_ММП≥ƒ_ПА затормаживает процесс возбуждения электромагнитного поля патч-антенны за счет дополнительного времени накопления энергии электрического поля (емкости между четырьмя квадратными металлическими листами (3) и квадратной металлической подложкой (подстилающей поверхностью) (1)) и энергии магнитного поля (индуктивности металлических вертикальных перемычек (7), замыкающих квадратные металлические листы (3) и квадратную металлическую подложку (1)). То есть, в результате комбинирования элементами и размерами метаматериальной подложки реализован слой эквивалентный магнитодиэлектрику, запасающему энергию магнитного и электрического полей. Применение общего изолятора в составе метаматериальной подложки (первый изоляционный слой, четыре квадратных металлических листа), второго изоляционного слоя, с суммарной диэлектрической проницаемостью ε_∑ позволил уменьшить в раз значение b, где n - суммарный коэффициент преломления.

Возбуждаемое через металлические стержни (элементы возбуждения) (6) распределение электромагнитного поля в патч-антенне позволяет организовать излучение электромагнитной волны в направлении горизонтальной оси симметрии антенны в зависимости от запитываемого металлического стержня (6). В режиме совместного возбуждения антенны от синфазных источников через два элемента возбуждения реализуется режим полноазимутального излучения. На фиг.3 показана расчетная диаграмма направленности патч-антенны.

Таким образом, введение в структуру второго металлического стержня (элемента возбуждения) позволило реализовать режим приема электромагнитных волн патч-антенной с четырех направлений (полноазимутальный режим). Проверка работоспособности модели патч-антенны произведена с помощью программы электродинамического моделирования CST Microwave Studio. Результат численного эксперимента позволил подтвердить что патч-антенна может формировать квазитороидальную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.

Источники информации

1. Иванов А.В., Николаев В.И., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А. Подземная антенна метровых волн на основе патч-структуры с метаматериальной подложкой//Радиотехника. 2021. Т. 85. №8. С.80-90.

2. Бузов А.Л. Современные тенденции развития антенной техники ДКМВ радиосвязи // Антенны. 2007. №10 (125). С.44-50.

3. Бузов А.Л., Нещерет A.M. Перспективы использования метаматериалов в подземных КВ-антеннах Сборник: II Научный форум телекоммуникации: теория и технологии ТТТ-2017. Физика и технические приложения волновых процессов ФиТПВП-2017. Материалы XV Международной научно-технической конференции. Под редакцией О.И. Антипова. 2017. С.62-64.

4. Masoud Ahmadi. Low-profile microstrip end-fire antennas based on metamaterial substrates. A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of applied science. The college of graduate studies (Electrical Engineering) The university of British Columbia (Okanagan) January, 2018.

5. Сазонов Д.M. Антенны и устройства СВЧ: Учеб, для радиотехнич. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1988. - 432 с.: ил.

Использование: изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны приемного устройства диапазона метровых волн. Сущность: подземная патч-антенна метровых волн содержит подстилающую поверхность в виде квадратной металлической подложки, на которой расположен диэлектрический материал в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, образующий первый изоляционный слой, при этом на ней размещены четыре квадратных металлических листа, равно ориентированных по углам первого изоляционного слоя, являющихся верхними обкладками открытых резонаторов, центры которых соединены металлическими вертикальными перемычками с металлической подложкой через отверстия в первом изоляционном слое, на упомянутых металлических листах расположен второй изоляционный слой диэлектрического материала в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, ориентированный по вертикальной оси симметрии антенны, при этом на нем установлен квадратный металлический лист (патч), причем к его нижней поверхности подсоединены два металлических стержня (элемента возбуждения) в точках, равноудаленных от его центра, расположенных ортогонально на двух осях симметрии горизонтальной плоскости в отверстиях двух изоляционных слоев, причем габаритные размеры второго изоляционного слоя и упомянутого квадратного металлического листа (патча) выполнены меньше аналогичных габаритных размеров первого изоляционного слоя и первого металлического листа, при этом упомянутые элементы установлены в антенне по типу пирамиды. Технический результат: патч-антенна с двумя металлическими стержнями обеспечивает полноазимутальный режим приема электромагнитных излучений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Подземная патч-антенна метровых волн, содержащая подстилающую поверхность в виде квадратной металлической подложки, на которой расположен диэлектрический материал в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, образующий первый изоляционный слой, при этом на ней размещены четыре квадратных металлических листа, равно ориентированных по углам первого изоляционного слоя, являющихся верхними обкладками открытых резонаторов, центры которых соединены металлическими вертикальными перемычками с металлической подложкой через отверстия в первом изоляционном слое, на упомянутых металлических листах расположен второй изоляционный слой диэлектрического материала в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, ориентированный по вертикальной оси симметрии антенны, при этом на нем установлен квадратный металлический лист - патч, отличающаяся тем, что к его нижней поверхности подсоединены два металлических стержня в точках, равноудаленных от его центра, расположенных ортогонально на двух осях симметрии горизонтальной плоскости в отверстиях двух изоляционных слоев, причем габаритные размеры второго изоляционного слоя и упомянутого квадратного металлического листа - патча выполнены меньше аналогичных габаритных размеров первого изоляционного слоя и первого металлического листа, при этом упомянутые элементы установлены в антенне по типу пирамиды.

2. Подземная патч-антенна метровых волн по п. 1, отличающаяся тем, что два металлических стержня, расположенных ортогонально на двух осях симметрии горизонтальной плоскости в точках, равноудаленных от вертикальной оси симметрии, подсоединены к металлическому листу - патчу.