Широкополосная микрополосковая антенна

 

Предлагаемое изобретение относится к печатным микрополосковым антенным решеткам и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи и телевидении, в частности спутниковом телевидении. Технический результат - более широкая полоса частот и более низкая нижняя рабочая частота по сравнению с известными антеннами. Широкополосная микрополосковая антенна содержит расположенную над экраном на обеих сторонах диэлектрической подложки решетку излучателей и двухпроводную линию передачи, к одному проводнику которой на расстоянии половины соответствующей резонансной длины волны попеременно присоединены четвертьволновые вибраторы, а к другому на обратной стороне листа под ними присоединены в середине полуволновые симметричные вибраторы, причем на плечах всех или некоторых логопериодически расположенных полуволновых излучателях образованы зазоры, не превышающие по ширине толщину подложки. 5 ил.

Изобретение относится к печатным микрополосковым антеннам и может быть использовано в радиосвязи и телевидении. Узкополосность микрополоскового излучателя ограничивает возможность его применения на практике. Полосу пропускания можно в некоторых пределах увеличить, уменьшая диэлектрическую проницаемость подложки и увеличивая ее толщину. Однако серьезной проблемой остается излучение из микрополосковой схемы питания и вертикального возбудителя. Можно значительно расширить полосу пропускания, используя подложку с потерями, но при этом падает КПД антенны. У микрополосковой спирали и многорезонансных микрополосковых антенн при расширении полосы частот до 20 - 30% снижается КПД или увеличивается высота антенны. Для расширения рабочей полосы можно было выбрать симметрический вибратор, плечи которого печатают на обеих сторонах тонкой положки, причем в качестве схемы питания использовать двухпроводную линию, расположенную на обеих сторонах подложки. С одной стороны конструкции размещен экран, отделенный от нее прокладкой из пенистого материала. В таком излучателе сохраняются основные преимущества микрополосковой антенны и возрастает ширина полосы пропускания микрополосковой антенны и возрастает ширина полосы пропускания при большой высоте над экраном, достигающая величины 20 - 25%, но имеет небольшое усилие.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является линейная копланарная антенная решетка, широкополосные свойства которой достигаются благодаря тому, что размеры микрополосковых излучателей и расстояния между ними изменяются по логопериодическому закону (Electronics Letters, 1980, vol. 16, N 4, p. 127 - 128). На заданной частоте возбуждаются и излучают только несколько элементов антенны. Эти элементы образуют активную зону, перемещающуюся с частотой вдоль антенны. Излучатели разнесены по оси антенны на половину длины волны на резонансной частоте. Однако указанная антенна имеет недостаточно широкую полосу пропускания при заданном числе излучателей и несколько повышенную нижнюю рабочую частоту.

Изобретение позволяет расширить полосу частот при небольших расстояниях от экрана и снижение резонансной частоты.

Это достигается тем, что в широкополосной микрополосковой антенне, содержащей расположенную над экраном на обеих сторонах подложки решетку излучателей и двухпроводную линию передачи, к одному проводнику которой на расстоянии половины соответствующей резонансной длины волны попеременно с разных сторон присоединены четвертьволновые вибраторы, а к другому на обратной стороне подложки под ними присоединены в середине полуволновые симметричные вибраторы, на всех плечах или на плечах некоторых логопериодически расположенных полуволновых симметричных вибраторов образованы поперечные зазоры, не превышающие по ширине толщу подложки.

На фиг. 1 схематически показано предлагаемое устройство, где обозначено: 1 - четвертьволновые вибраторы, 2 - микрополосковые резонаторы, 3 - двухпроводная линия передачи, 4 - подложка, 5 - экран, 6 - возбудитель. На фиг. 2 и 3 представлена конструкция предлагаемой антенны; на фиг. 4 - кривая КСВ в зависимости от частоты; на фиг. 5 - диаграммы направленности в плоскостях H и E.

На фиг. 2 с одной стороны подложки размещена одна логопериодическая полуструктура, состоящая из проводника двухпроводной линии с присоединенными к нему с конца четвертьволновыми вибраторами на резонансной частоте. Длины l и ширины b четвертьволновых вибраторов, а также расстояния S между ними связаны соотношением τ = ln+1/ln = bn+1/bn = Sn+1/Sn. Эти вибраторы разнесены по оси антенны на половину длины волны и присоединены попеременно с разных сторон. При этом поля соседних вибраторов в дальней зоне синфазны, а главный лепесток нормален к подложке.

На фиг. 3 с другой стороны подложки размещена полуструктура, в которой полуволновые симметричные вибраторы 2L на резонансной частоте присоединены посередине к другому проводнику линии передачи. Их длины L и ширины a, и расстояния между ними S также связаны геометрической прогрессией с масштабным множителем τ, но половина их длины берется, вообще говоря, меньшей или равной длине соответствующего четвертьволнового вибратора первой полуструктуры. Ширина a полуволнового вибратора, как правило, берется больше ширины b соответствующего четвертьволнового.

Для согласования, расширения рабочей полосы частот и снижения резонансной частоты между проводником линии передачи и плечами некоторых полуволновых вибраторов делается зазор, ширина которого подбирается экспериментально. Это достигается также зазорами в плесах вибраторов. Величина связи полуволновых вибраторов с четвертьволновыми зависит, кроме их длины и ширины, также от толщины подложки. Если выбрать связь большой, то энергия покидает линию передачи на участке нескольких излучателей и ДН антенны в Н - плоскости оказывается широкой. Если же связь слабая, то передача мощности из линии передачи к излучателям будет происходить более медленно, ДН будет более узкой, а КСВ меньшим. Двухпроводная линия возбуждается коаксиально-полосковым переходом 6 (фиг. 1). Подложка, имеющая толщину h, размещается над экраном на высоте H, которая может меняться приблизительно от величины 0,05λ до величины 0,25λ, при этом меняется полоса рабочих частот при приемлемом согласовании и коэффициент усиления (как правило, при очень малом расстоянии от экрана полоса частот уменьшается). Проведено большое число экспериментов предлагаемой антенны при разном числе вибраторов, разной длине и ширине полуволнового вибратора и соответствующего четвертьволнового, на подложках из разных материалов и разной толщины и исследовалось их влияние на диаграмму направленности, согласование и относительную полосу частот.

На фиг. 4 изображен график зависимости КСВ вблизи резонансной частоты макета антенны со следующими параметрами: число элементов 5 (на каждой стороне подложки), масштабный множитель τ = 0,95. Длины четвертьволновых вибраторов на одной стороне подложки 47,5 мм, 45 мм, 42,7 мм, 40,5 мм и 38,5 мм, длины полуволновых цельных вибраторов на другой стороне подложки (от одного конца к другому) 76 мм, 72 мм, 68 мм, 64,5 мм и 61 мм. Ширина четвертьволновых вибраторов меняется от 19 мм до 15 мм, а полуволновых от 23 мм до 19 мм. Ширина полоски линии передачи 10 мм. Расстояние между вибраторами 96 мм, 90 мм, 85,5 мм и 81 мм. Материал подложки ФАФ-4Д с относительной диэлектрической проницаемостью ε = 2,7. Расстояние до экрана 18 мм, что составляет 0,06 средней длины волны диапазона. Для согласования в широкой полосе частот и снижения нижней частоты диапазона выполнены зазоры в первом, во втором и четвертом полуволновом вибраторе, считая от точки возбуждения. Можно выполнить зазоры, если понадобиться, на других цельных полуволновых вибраторах непосредственно между плечами и линией передачи или в других сечениях на плечах вибраторов. КСВ антенны меньше 2,1 в полосе частот 775 - 1000 МГЦ, что составляет около - 23%. У антенны с 9 вибраторами рабочая полоса частот при КСВ < 2,1 составляет приблизительно 40%, тогда как у антенны - прототипа она не превышает 30%. Диаграмма направленности по мощности в плоскости Н на частоте 900 МГЦ указанного макета антенны изображена на фиг. 5. Ширина главного лепестка на уровне половинной мощности в плоскости Н по диапазону колеблется в пределах 42 - 50^o, расширяясь в сторону низких и сужаясь в сторону высоких частот. Диаграмма направленности в плоскости Е определяется излучением одного полуволнового вибратора и составляет приблизительно 84^o. Уровень боковых лепестков составляет приблизительно 11 - 12 дБ.

Использование предлагаемой антенны поперечного излучения позволяет увеличить относительную полосу частот пропускания при расположении подложки с антенной на небольшой высоте над экраном, а применение зазоров в плечах полуволновых вибраторов приводит к улучшению согласования и снижению резонансной частоты диапазона.

Шировополостность антенны, как указывалось выше, достигается в основном благодаря тому, что размеры микрополосковых вибраторов и расстояния между ними изменяются по логопериодическому закону и на заданной частоте возбуждаются и излучают только несколько элементов антенны. Смещение рабочей полосы частот в сторону низких частот и согласование антенны объясняются укорачивающим и согласующим действием емкости, которая образуется между плечами полуволновых вибраторов и линией передачи.

Формула изобретения

Широкополосная микрополосковая антенна, содержащая расположенную над экраном на обеих сторонах подложки решетку излучателей и двухпроводную линию передачи, к одному проводнику которой на расстоянии половины соответствующей резонансной длины волны попеременно с разных сторон присоединены четвертьволновые вибраторы, а к другому на обратной стороне подложки под ними присоединены в середине полуволновые симметричные вибраторы, отличающаяся тем, что на всех плечах или на плечах некоторых логопериодически расположенных полуволновых симметричных вибраторов образованы поперечные зазоры, не превышающие по ширине толщину подложки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5