Микрополосковая спиральная антенна с двусторонней круговой поляризацией

 

Полезная модель относится к антенной и микрополосковой технике, и может быть использованав радиометрии и аппаратуре связи.

Сущность полезной модели заключается в том, что микрополосковая спиральная антенна с двусторонней круговой поляризацией содержит многослойную диэлектрическую подложку, на одной стороне которой выполнена импедансная одно- или многозаходная спираль, и расположенный с другой стороны подложки изотропный металлический экран. Согласно полезной модели, диэлектрическая подложка имеет толщину, равную четверти рабочей длины волны, и содержит не менее трех слоев с линейно уменьшающимся от плоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновым сопротивлением.

Предложенная миниатюрная антенна обладает габаритными размерами, меньшимирабочей длины волны и сохраняет направленные свойства в широкойполосе частот.

Полезная модель относится к антенной и микрополосковой технике, и может быть использована в радиометрии и аппаратуре связи.

Известны микрополосковые и полосковые антенны, различающиеся по конфигурации излучающего элемента - прямоугольные, дисковые, кольцевые, эллиптические, треугольные и др., выполненные на диэлектрических изолированных, экранированных, однослойных или подвешенных подложках [Панченко Б.А, Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986; Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн / Б.А.Панченко, С.Т.Князев и др. М.: Радио и связь, 2002; Wong K.-L. Compact and Broadband Microstrip Antennas. J.Wiley&Sons, Inc., 2002].

К недостаткам таких антенн и излучателей относится их узкополосность, определяемая резонансным режимом работы, а также примерное равенство габаритных размеров антенны и рабочей длины волны.

Наиболее близкими к предлагаемому техническому решению являются микрополосковые спиральные антенны, выполненные на базе одиночных или связанных радиальных круговых или прямоугольных резонаторных структур, с арифметической, логарифмической или эллиптической намоткой [Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. М., Радио и связь, 2002; Lee Y. Antenna Circuit Design for RFID Applications // Microchip Technology Inc., USA, 2003, AN710, p.1-50].

Недостатком таких спиральных антенн является наличие осевого излучения с односторонней круговой или эллиптической поляризацией, вращающейся либо в левую, либо в правую сторону, что определяется направлением намотки спирали. Тип поляризации, противоположный имеющейся, как правило, выражен слабо и по амплитуде излучения, и по направленности, что не позволяет использовать его на практике, например, для радиометрии.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание широкополосной микрополосковой антенны с двусторонней круговой или эллиптической поляризацией и габаритными размерами, меньшими рабочей длины волны.

Техническая задача решается тем, что в микрополосковой спиральной антенне, которая содержит многослойную диэлектрическую подложку, на одной стороне которой выполнена импедансная одно- или многозаходная спираль, и расположенный с другой стороны подложки изотропный металлический экран, согласно заявленной полезной модели, диэлектрическая подложка выполнена с толщиной, равной четверти рабочей длины волны, содержит не менее трех слоев с линейно уменьшающимся от плоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновым сопротивлением.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является обеспечение двусторонней круговой или эллиптической поляризации в широкой полосе частот при габаритных размерах антенны, меньших рабочей длины волны, что обеспечивается использованием многослойной диэлектрической подложки с согласованными волновыми сопротивлениями слоев.

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется рисунками, где

на фиг.1 показана 3D-модель микрополосковой спиральной антенны с двусторонней круговой поляризацией, выполненная на трехслойной подложке, где цифрой 1 обозначена импедансная двухзаходная спираль с логарифмической намоткой, цифрой 2 - изотропный металлический экран, цифрами 3, 4, 5 - слои четвертьволновой подложки с линейно уменьшающимся от плоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновым сопротивлением;

на фиг.2-5 даны диаграммы направленности спиральной антенны для левосторонней и правосторонней поляризаций, рассчитанные с помощью программы AWR Design Environment (Microwave Office) для прототипа - антенны идентичной топологии на однослойной плате, имеющей ярко выраженную правостороннюю поляризацию (фиг.2), для случая трехслойной платы (фиг.3),пятислойной платы (фиг.4) и десятислойной платы (фиг.5).

на фиг.6 показаны зависимости модуля коэффициента отражения от числа слоев подложки.

Осевое излучение микрополосковой спиральной антенны с двусторонней круговой поляризацией обеспечивается следующим образом. Обозначим средний диаметр витка dср, тогда на длине половины витка спирали фазовый сдвиг равен 2dср/. С учетом начального сдвига, равного , получим результирующее расхождение токов по фазе . Поскольку угол отличается от , то соблюдается условие осевого излучения с вращающейся поляризацией. В этом случае оптимальное значение коэффициента замедления, соответствующее противофазе поля первого и последнего витков, определяется формулой: , где h - шаг, р - число витков спирали, lc - длина одного витка спирали.

Из последней формулы следует, что поскольку /2p<<+h, то поляризацию можно считать эллиптической. Однако если величина коэффициента замедления не оптимальна, т.е. , то разница между n и nopt весьма мала, а значит, полученная поляризация близка к круговой.

Условие осевого излучения выполняется не для всей структуры, а только для той ее части, в которой токи обеих спиралей совпадают по фазе: , где k=1, 2, 3 Из полученного соотношения следует, что средний диаметр первого «резонансного» кольца (k=1) равен d1ср =/ а его периметр d1ср=. Средний диаметр и периметр следующих «резонансных» колец в k раз больше.

Наиболее интенсивно излучает первое «резонансное» кольцо. Это связано с тем, что излучение спирали вызывает затухание волны, сопровождающееся уменьшением тока от ее начала (в центре) к периферийной области. Большая величина коэффициента затухания в рассматриваемой структуре объясняется малым отражением поверхностной волны от концов обеих спиралей (эффект бегущей волны тока). Для того чтобы на максимальной длине волны рабочего диапазона max сохранялось первое «резонансное» кольцо излучения, диаметр спиралей должен быть достаточно велик: d>max/. С уменьшением длины волны это кольцо начинает сжиматься до величины min, определяемой размерами узла запитки структуры.

Возможность достижения поставленного технического результата подтверждается результатами моделирования диаграмм направленности микрополосковой спиральной антенны в плоскости XY, полученными с помощью программы AWR Design Environment (Microwave Office) (фиг.2-5), которые наглядно демонстрируют градации изменения левосторонней круговой поляризации при практически не меняющейся правосторонней поляризации, задаваемой рисунком топологии спиралей. Так на фиг.2 даны диаграммы направленности прототипа - двухзаходной спиральной антенны с логарифмической намоткой на однослойной плате с относительной диэлектрической проницаемостью =9,8. Такая антенна обладает правосторонней круговой поляризацией при слабо выраженной левосторонней поляризации. Увеличение числа слоев подложки с линейно уменьшающимся от плоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновым сопротивлением в случае трехслойной платы (1=9,8; 2=5,6; 3=2,4) фиг.3, и пятислойной платы (1=9,8; 2=7,2; 3=5,6; 4=3,8; 5=2,4)) фиг.4, приводит к «выравниванию» левосторонней поляризации, которая вначале приближается к эллиптической, а при дальнейшем увеличении числа слоев, к круговой поляризации. На фиг.5 показаны диаграммы направленности спиральной антенны на десятислойной подложке в плоскостях XY (фиг.5а) и XZ (фиг.5б). Такая антенна имеет и правостороннюю, и левостороннюю круговую поляризации, причем амплитуда левосторонней поляризации в плоскости XZ превышает правостороннюю, что свидетельствует о более узком и направленном излучении.

Согласование слоев многослойной подложки спиральной антенны фильтра обеспечивается по величине волнового (характеристического) сопротивления, которое определяется по формуле: , где µ, - относительные магнитная и диэлектрическая проницаемости слоя соответственно. Возможность согласования подтверждается результатами расчета и анализа зависимостей модуля коэффициента отражения от многослойной диэлектрической среды с линейно и скачкообразно изменяющимся значением относительной диэлектрической проницаемости. Модуль коэффициента отражения для двух слоев диэлектрика с номерами 1 и 2 может быть рассчитан по формуле:

и аналогично получен для любого числа слоев. На фиг.6 показаны зависимости от числа слоев N для модели антенны на трехслойной плате с линейным изменением относительной диэлектрической проницаемости (1=9,8; 2=5,6; 3=2,4) и аналогичной по топологии антенны-прототипа на однослойной плате, в поперечном сечении которой волновое сопротивление меняется скачком (1=9,8; 2=1,0). Из полученных графиков видно, что антенна на трехслойной плате отличается отантенны - прототипа почти вдвое меньшим и практически равномерным по сечению подложки модулем коэффициента отражения.

Достоинством предложенной антенны является постоянное отношение периметра первого «резонансного» кольца к длине волны, что позволяет сохранить направленные свойства резонансной системы в широком диапазоне длин волн.

1. Микрополосковая спиральная антенна с двусторонней круговой поляризацией, содержащая многослойную диэлектрическую подложку, на одной стороне которой выполнена импедансная одно- или многозаходная спираль, и расположенный с другой стороны подложки изотропный металлический экран, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка выполнена толщиной, равной четверти рабочей длины волны, и содержит не менее трех слоев с линейно уменьшающимся от плоскости экрана к плоскости импедансной спирали волновым сопротивлением.

2. Микрополосковая спиральная антенна по п.1, отличающаяся тем, что согласование слоев многослойной диэлектрической подложки обеспечивается по величине волнового сопротивления.



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к радиотехнике: сверхширокополосным антеннам СВЧ-диапазона, а именно волноводным рупорам, и может найти применение в системах связи, радиолокации, неразрушающего контроля

Полезная модель относится к электротехнике, преимущественно к кабельной технике, а именно к конструкциям водоохлаждаемых кабелей, и может быть использована для токоподводов мощных электропечей, сварочных агрегатов и т
Наверх