Широкополосная микрополосковая антенна с высоким усилением

Полезная модель относится к антенной технике и предназначена для использования в аппаратуре связи в качестве одиночного широкополосного излучателя и как элемент низкопрофильной антенной решетки. Технический результат - расширение полосы рабочих частот антенной системы при стабильном коэффициенте усиления антенны. Для этого в предлагаемой антенне центральная часть излучателя (3) расположена в плоскости, параллельной плоскости экрана (2), над Н-образной щелью, а две противоположные боковые стороны загнуты вверх таким образом, что в сечении излучатель (3) имеет форму трапеции. Высота неизлучающих краев излучателя (3) над экраном (2) не превышает трех десятых длины волны на центральной частоте излучения, ширина излучателя (3) не менее четырех десятых длины волны, длина неизлучающих краев не более половины длины волны, угол загиба боковых сторон излучателя (3) находится в диапазоне 30-60°, ширина центральной стороны параллельной экрану (2) излучающего элемента (3) не более одной десятой длины волны, а размеры щели связи не превышают 0,3×0,3, где , - это длина волны на центральной частоте.

Полезная модель относится к антенной технике и предназначена для использования в аппаратуре связи в качестве одиночного широкополосного излучателя и как элемент низкопрофильной антенной решетки.

Известно большое количество способов расширения полосы рабочих частот микрополосковых антенн. К ним относятся:

- добавление в конструкцию антенны связанных с основной пластиной как активных, так и пассивных излучающих элементов, располагающихся в одной плоскости с излучателем;

- использование логопериодических структур излучающих элементов;

- применение излучателей с прорезанной в них щелью сложной формы;

- применение согласующих элементов (как правило, простой геометрической конфигурации) между зондом питания и излучателем;

- многослойных (многоэтажных) структур;

- усечение симметричной части излучающего элемента.

Недостатками этих способов являются:

- увеличение размеров антенны в плоскости экрана;

- нестабильность положения фазового центра антенны с изменением частоты;

усложнение конструкции, а, следовательно, рост ее стоимости;

снижение усиления антенны и искажение ее диаграммы направленности.

Известна антенна [Z.N.Chen, 'Broadband suspended plate antennas with concaved center portion,' IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, no. 4, pp.1550-1551, April 2005]. Особенность антенны заключается в том, что излучатель является не плоским. Излучающий элемент имеет изгиб в центральной части. Недостатком этой антенны является высокий уровень кросс-поляризации, а также невысокий коэффициент усиления в рабочей полосе (не превышает 9,5 дБ).

Известна антенна [K.L.Wong, C.L.Tang, and J.Y.Chiou, "Broadband probe-fed patch antenna with a W-shaped ground plane," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.50, June 2002]. Антенна имеет плоскость экрана W-образной формы. Недостаток антенны заключается в том, что она имеет небольшую полосу рабочих частот.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является микрополосковая антенна [C.L.Tang, C.W.Chiou, and K.L.Wong "Broadband dual-frequency V-shape patch antenna," Microwave Opt. Technol., lett. 25, 121-123, April 20, 2000], принятая за прототип.

Схема антенны-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено:

1 - слой диэлектрика;

2 - металлическая пластина;

3 - полосковый излучатель;

4 - микрополосковая линия.

Антенна-прототип содержит слой диэлектрика 1 с микрополосковой линией 4, металлическую пластину 2 с Н-образной щелью и V-образный излучатель 3, поддерживаемый над Н-образной щелью в экранной плоскости с помощью диэлектрических стоек (на фиг.1 не показаны). Высота неизлучающих краев излучателя 3 над металлической пластиной 2 порядка 0,2 ширина излучателя 3 не более 0,7, угол подъема боковых частей над плоскостью, параллельной плоскости металлической пластины 2, 30°, длина неизлучающих краев полоскового излучателя 3 порядка 0,4, размеры щели связи около 0,24×0,2, где - длина волны на центральной частоте.

Функционирование антенны-прототипа заключается в следующем.

Возбуждение антенны-прототипа осуществляется 50-омной микрополосковой линией 4 со шлейфом для обеспечения согласования. Возбуждение щели происходит за счет электромагнитного взаимодействия с полем симметричной микрополосковой линии 4. Н-образная форма апертуры связи позволяет при небольших ее размерах осуществлять эффективную связь между микрополосковой линией 4 и излучателем 3, при этом боковые части Н-образной щели в основном влияют на реактивную составляющую входного сопротивления, а уровень обратного излучения невысок по сравнению с вариантом использования линейной щели.

Недостатками устройства-прототипа являются:

1. Недостаточно широкая полоса частот антенны, которая по уровню коэффициента стоячей волны (КСВ)<2 составляет не более 0,8 ГГц, что в ряде случаев ограничивает применение антенны на практике, в частности в системах радиомониторинга, системах связи с подвижными объектами, работающих в режиме частотного дуплекса, и т.д.

2. Недостаточно высокое значение коэффициента усиления, не превышающее 8,1 дБ согласно данным [C.L.Tang, C.W.Chiou, and K.L.Wong "Broadband dual-frequency V-shape patch antenna", Microwave Opt. Technol. Let. 25, 121-123, April 20, 2000].

Задача - расширение полосы рабочих частот антенны, повышение коэффициента усиления.

Для решения поставленной задачи в широкополосной микрополосковой антенне с высоким усилением, содержащей слой диэлектрика с микрополосковой линией, металлический экран с Н-образной щелью и полосковый излучатель, поддерживаемый над Н-образной щелью в экранной плоскости с помощью диэлектрических стоек, согласно полезной модели центральная часть излучателя расположена в плоскости, параллельной плоскости экрана, над Н-образной щелью, а две противоположные боковые стороны загнуты вверх таким образом, что в сечении излучатель имеет форму трапеции.

Схема предлагаемой антенны представлена на фиг.2, где обозначено:

1 - диэлектрическая подложка;

2 - металлический экран;

3 - полосковый излучатель;

4 - микрополосковая линия.

Предлагаемая антенна содержит диэлектрическую подложку 1 с микрополосковой линией 4, металлический экран 2 с Н-образной возбуждающей щелью, полосковый излучатель 3, поддерживаемый над Н-образной щелью в экранной плоскости с помощью диэлектрических стоек (на фиг.1 не показаны), центральная часть излучателя 3 расположена в плоскости, параллельной плоскости экрана 2, над Н-образной щелью, а две противоположные боковые стороны загнуты вверх таким образом, что в сечении излучатель 3 имеет форму трапеции. Высота неизлучающих краев излучателя 3 над экраном 2 не превышает трех десятых длины волны на центральной частоте излучения (выбирая соответствующим образом высоту неизлучающих краев излучателя над экраном, можно добиться высокого значения коэффициента усиления, стабильного в полосе частот антенны), ширина излучателя 3 не менее четырех десятых длины волны, длина неизлучающих краев не более половины длины волны, угол загиба боковых сторон излучателя 3 находится в диапазоне 30-60°, ширина центральной стороны параллельной экрану 2 излучающего элемента 3 не более одной десятой длины волны, а размеры щели связи не превышают 0,3×0,3, где - это длина волны на центральной частоте.

Функционирование антенны-прототипа заключается в следующем.

Питание антенны осуществляется с помощью 50-омной микрополосковой линии 4 со шлейфом для обеспечения согласования. Возбуждение Н-образной апертуры связи (такая форма является наилучшим выбором в смысле обеспечения эффективной связи и уменьшения обратного излучения антенны) происходит за счет электромагнитного воздействия с полем микрополосковой линии 4, при этом параллельная экрану плоскость излучателя 3 вносит дополнительную проводимость излучения, позволяя согласовать антенну в широкой полосе частот и снизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности.

Предлагаемая антенна может быть реализована по технологии печатных плат.

На фиг.3 представлена зависимость КСВ антенны-прототипа и предлагаемой антенны от частоты, на фиг.4 - зависимость КУ от частоты.

Моделирование работы антенны-прототипа и предлагаемой антенны показало, что при использовании воздуха в качестве диэлектрика достижимы следующие характеристики антенны:

1. Полоса рабочих частот антенны по уровню КСВ менее 2 составляет величину не менее 50% от центральной частоты;

2. Габаритные размеры излучателя около 0,4×0,5×0,2 длины волны на центральной частоте;

3. Усиление антенны в рабочей полосе частот не менее 8,5 дБ и достигает 10,5 дБ.

Таким образом, предлагаемая широкополосная микрополосковая антенна с высоким усилением за счет специальной формы полоскового излучателя обеспечивает расширение полосы рабочих частот антенной системы, увеличение коэффициента усиления.

1. Широкополосная микрополосковая антенна с высоким усилением, содержащая слой диэлектрика с микрополосковой линией, металлический экран с Н-образной щелью и полосковый излучатель, поддерживаемый над Н-образной щелью в экранной плоскости с помощью диэлектрических стоек, отличающаяся тем, что центральная часть излучателя расположена в плоскости, параллельной плоскости экрана, над Н-образной щелью, а две противоположные боковые стороны загнуты вверх таким образом, что в сечении излучатель имеет форму трапеции.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что высота неизлучающих краев излучателя над экраном не превышает трех десятых длины волны на центральной частоте излучения, ширина излучателя не менее четырех десятых длины волны, длина неизлучающих краев не более половины длины волны, угол загиба боковых сторон излучателя находится в диапазоне 30-60°, ширина центральной стороны, параллельной экрану излучающего элемента, не более одной десятой длины волны, а размеры щели связи не превышают 0,3×0,3, где - это длина волны на центральной частоте.