Печатная антенна

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в стационарных и мобильных телекоммуникационных системах сверхвысокочастотного диапазона для реализации антенных устройств в планарном печатном исполнении. Техническим результатом является создание печатной антенны с минимальным уровнем входного коэффициента стоячей волны напряжения (К_ст.U)_min. Печатная антенна содержит тонкую прямоугольную диэлектрическую подложку 1 с лицевой 2 и обратной 3 поверхностями, имеющую пару больших 4, 5 и пару малых 6, 7 сторон, выполнен сплошной прямоугольный печатный проводник 8 с парой больших 9, 10 и парой малых 11, 12 сторон. Этот проводник занимает часть площади обратной поверхности 3 подложки 1. На лицевой поверхности 2 подложки 1 над сплошным проводником 8 ортогонально его большим сторонам 9 и 10 выполнена питающая микрополосковая линия 13. Антенна содержит также первый 16 и второй 17 узкие печатные излучающие элементы со сторонами 18, 19 и 20, 21, имеющими различную длину, выполненные в форме повернутых на 90 градусов по направлению и против направления вращения часовой стрелки прописных латинских букв «L» соответственно, а также дополнительную микрополосковую линию 22 и проводящий печатный пьедестал 25 в форме «ласточкина хвоста». 3 ил.

 

Предлагаемая печатная антенна относится к области техники сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использована как самостоятельная антенна в системах телекоммуникаций, так и в качестве базового антенного элемента печатных многоэлементных остронаправленных фазированных антенных решеток (ФАР) радиолокационных и радионавигационных систем.

Актуальность разработки таких антенн обусловлена все возрастающими требованиями к антенным системам СВЧ в отношении их широкополосности, массогабаритных показателей, технологичности сборочных и регулировочных работ при изготовлении многоэлементных ФАР [когда число базовых антенных элементов (БАЭ) может достигать нескольких сот штук], а также в отношении устойчивости к воздействиям внешних дестабилизирующих факторов, таких как вибрации от работающего двигателя, линейные ускорения и перепады температуры от -60°С (верхние слои атмосферы) до +80°С (аэродромы тропических широт), удары и т.п. Для обеспечения предъявляемых ныне к антенным системам требований необходимо реализовать компактные, с высоким процентом выхода годных изделий печатные антенны, пригодные для групповой технологии микроэлектроники и полосковых микросхем, когда в одном технологическом цикле обработки диэлектрической заготовки реализуется несколько десятков идентичных излучающих элементов.

Следует также подчеркнуть, что весьма целесообразно реализовать печатную антенну на основе дипольных или монопольных излучающих фрагментов, причем эти фрагменты могут быть выполнены в различных формах, таких как

- узкая прямоугольная с продольной осевой симметрией;

- обычная или развернутая на 90° прописная латинская буква "L" (в англоязычной терминологии: «L - shaped»);

- развернутая на 90° прописная латинская буква «F» (в англоязычной терминологии «inverted - F»);

- обычная (не развернутая) прописная латинская буква "Т" ("Т - shaped").

Это объясняется высокой, если не наивысшей, степенью «чистоты поляризации» (т.е. линейности поляризации) электромагнитного излучения таких фрагментов, что позволяет задействовать при радиопеленгации и радиопозиционировании селекцию принимаемых сигналов не только по положению в пространстве сигарообразной или игольчатой диаграммы направленности ФАР, но и ее плоскости поляризации, которая, проходя через направление главного максимума диаграммы, может быть повернута вокруг этого направления на произвольный угол.

Известна печатная антенна, описанная в патенте США № 6310584, М. кл. Н01Q 21/00 и названная в оригинале как: «Низкого профиля двойственно поляризованная антенна». Эта антенна содержит семь БАЭ с излучающими фрагментами в форме прописной латинской буквы «Т», расположенных над заземленной пластиной. При этом первый и второй Т-формы антенные элементы установлены по первой оси, третий и четвертый Т-формы антенные элементы установлены по второй оси, причем первая и вторая оси являются параллельными. Пятый, шестой и седьмой Т-формы антенные элементы установлены по третьей, четвертой и пятой осям соответственно, причем последние три оси являются параллельными друг к другу и ортогональными первой и второй осям. Шестой антенный элемент позиционирован между первым и вторым БАЭ, а первый и второй БАЭ позиционированы между пятым и седьмым БАЭ. Антенна содержит также первый делитель мощности, запитывающий первый, второй, третий и четвертый БАЭ, а также второй делитель мощности, запитывающий оставшиеся пятый, шестой и седьмой БАЭ.

В результате в зависимости от того, на вход какого из двух делителей мощности подается напряжение источника СВЧ-сигнала, формируется электромагнитное излучение с линейной поляризацией во взаимно ортогональных плоскостях. Плоскость поляризации излучения, связанного со входом первого делителя мощности, проходит через две прямые: одна прямая есть направление главного максимума диаграммы направленности (оно ортогонально заземленной пластине), вторая прямая есть линия, проходящая через центры пятого, шестого и седьмого БАЭ (эта линия параллельна первой и второй вышеупомянутым осям и проходит посредине между ними). Плоскость поляризации излучения, связанного со входом второго делителя мощности, проходит также через две прямые: первая прямая есть вышеупомянутое направление главного максимума диаграммы направленности, а вторая прямая есть вышеупомянутая четвертая ось, вдоль которой установлен шестой Т-формы БАЭ.

Однако вследствие того, что все семь БАЭ имеют Т-форму, описанная печатная антенна, хотя и имеет двойственно поляризованное излучение, но характеризуется незначительной относительной полосой частот (Δƒ/ƒ₀)_A по уровню входного коэффициента стоячей волны K_ст.U=1.5, не превышающей 5%. Это объясняется тем, что уединенный Т-формы БАЭ имеет относительную полосу частот (Δƒ/ƒ₀)_U по тому же уровню K_ст.U=1.5 порядка (8...9) %, что следует из экспериментальных исследований таких БАЭ, описанных в работе: Е.Brian, D.Rees. "A broadband printed dipole with integrated balun" // Microwave Journal, 1987, vol.30, 5, pp.339-344. Упомянутые БАЭ представляют собой простейшую печатную антенну с излучающим фрагментом в форме прописной латинской буквы «Т», содержащую тонкую прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями. Излучающими фрагментами являются левая и правая горизонтальные стороны буквы «Т», причем вертикальная ее часть раздвоена путем выполнения продольной щели. Основание буквы «Т» соединено гальванически (является продолжением) со сплошным прямоугольным печатным проводником, выполненном на обратной поверхности подложки и занимающем лишь часть ее площади. На лицевой поверхности подложки выполнена питающая микрополосковая линия, которая имеет форму «крючка», расположенного над раздвоенным основанием буквы «Т». Конец этой линии (конец «крючка») находится в режиме холостого хода (разомкнут), а к началу линии присоединяется центральная жила питающего коаксиального кабеля, оплетка которого соединяется со сплошным заземленным печатным проводником обратной стороны подложки.

Таким образом, описанная печатная антенна с излучающими фрагментами в форме прописной латинской буквы «Т», являющаяся базовым антенным элементом вышеупомянутой двойственно поляризованной антенны согласно патента США № 6310 584, характеризуется относительной полосой рабочих частот не более 9% по уровню K_ст.U=1.5, что не удовлетворяет современным требованиям к уединенным и более сложным антенным системам по широкополосности.

Известна также печатная антенна, описанная в патенте США № 7088299, М. кл. Н01Q 9/00, имеющая несколько полос рабочих частот. Эта антенна содержит два идентичных БАЭ с излучающими фрагментами в форме прописной латинской буквы «Т», выполненных на лицевой и обратной поверхностях квадратной тонкой диэлектрической подложки. Основания обеих букв «Т» соединены гальванически (являются продолжениями) с общим сплошным печатным проводником, выполненным на обратной поверхности подложки и занимающим лишь часть ее площади. Продольные щели в основаниях букв «Т» ориентированы по диагоналям квадратной подложки, а горизонтальные излучающие стороны букв «Т» практически совпадают (если не учитывать краевые поля подложки) со сторонами подложки, в результате чего буква «Т» трансформируется в «стрелку» с углом острия «стрелки», равным 90°. В каждый из излучающих фрагментов букв «Т» введен индуктивный элемент, выполненный из высокоомной (очень узкой) линии передачи, свернутой в меандр, чтобы не выходить за габариты излучающего фрагмента и обеспечить компактность.

На лицевой поверхности подложки выполнены две питающие микрополосковые линии, каждая со своим «крючком», позиционированным над соответствующими фрагментами букв «Т» подобно тому, как это сделано в ранее упомянутом патенте США № 6310584 с поправками на тот факт, что буква «Т» трансформировалась в «стрелку» с прямым углом в ее острие. Кроме того, на лицевой поверхности под свернутыми в меандр высокоомными линиями индуктивных элементов выполнены четыре емкостных фрагмента в форме небольших прямоугольных печатных проводников, габариты каждого из которых совпадают с габаритами меандров.

В результате за счет подбора параметров индуктивностей и емкостей удается реализовать антенную структуру с несколькими рабочими полосами частот и уровнем согласования в каждой из полос, приемлемом, по оценкам Заявителя, лишь для радиоприемной техники, где допустимы значения K_ст.U, равные 2 и более (до трех). Однако такие уровни K_ст.U не приемлемы для радиопередающих устройств, где требуется максимально эффективная передача мощности активных элементов (транзисторов, диодов, ламп) в антенну, т.е. требуются минимальные входные K_ст.U антенн без использования согласующих трансформаторов сопротивлений. Описанная же антенная структура характеризуется входными K_ст.U, изменяющимися от минимального значения на центральной частоте ƒ₀ (K_ст.U)_min=1.3 до максимального значения (K_ст.U)_max=2.2 на краях относительной полосы частот Δƒ/ƒ₀=10%. Если пытаться использовать эту структуру в радиопередающих устройствах, то необходимо применять комплект перестраиваемых по частоте СВЧ-трансформаторов сопротивлений, что ведет к увеличению габаритов и массы, а также усложняет управление передатчиком при переключении рабочих диапазонов частот.

Таким образом, описанная печатная антенна с излучающими фрагментами в форме модифицированной в «стрелку» прописной латинской буквы «Т», входящими в состав БАЭ диапазонной антенной структуры по патенту США № 7088299, характеризуется минимальным уровнем (K_ст.U)_min порядка 1.4 в относительной полосе рабочих частот не более (2...3) %, что не удовлетворяет современным требованиям к уединенным и более сложным антеннам по широкополосности.

Известна также печатная антенна, выбранная в качестве прототипа и описанная в патенте США № 6801168, М. кл. H01Q 1/38. Эта антенна содержит тонкую прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, сплошной прямоугольный печатный проводник, первый и второй излучающие элементы в форме повернутых прописных латинских букв «L», а также питающую микрополосковую линию. При этом сплошной прямоугольный проводник выполнен на части обратной поверхности подложки и соединен с одним из излучающих элементов, а питающая микрополосковая линия сформирована на лицевой поверхности подложки над сплошным прямоугольным проводником и соединена с другим излучающим элементом. Оба излучающих элемента имеют различные размеры и ориентированы в противоположные стороны, в результате чего антенна пригодна для приема радиосигналов, имеющих различные частоты, причем выходом антенны (при работе на прием) является начало питающей микрополосковой линии.

Однако описанную антенну целесообразно применять лишь для приема радиосигналов, так как ее выходное (входное) сопротивление имеет комплексный характер, что обеспечивает при использовании коаксиальных кабелей с волновым сопротивлением ρ₀, равным 50 или 75 Ом, уровни K_ст.U не лучше 1.6, т.е. K_ст.U≥1-6. Оценка проводилась с использованием разработанного заявителем пакета прикладных программ электродинамического моделирования на основе метода конечных элементов во временной области.

Поэтому при использовании этой антенны на передачу, где требуются уровни K_ст.U не более 1.4 в относительной полосе частот не менее (8...10) %, необходимо применять согласующие СВЧ-трансформаторы сопротивлений.

Таким образом, описанная печатная антенна с излучающими элементами в форме прописной латинской буквы «L» характеризуется минимальным уровнем (K_ст.U)_min порядка 1.6, что не удовлетворяет современным требованиям к уединенным антеннам.

Задачей предлагаемого изобретения является создание печатной антенны с минимальным уровнем входного коэффициента стоячей волны напряжения (K_ст.U)_min.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известную печатную антенну, содержащую тонкую прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, имеющую пару больших и пару малых сторон, сплошной прямоугольный печатный проводник с парой больших и парой малых сторон, питающую микрополосковую линию, первый и второй узкие печатные излучающие элементы с различными длинами сторон в форме повернутых на 90° по направлению и против направления вращения часовой стрелки прописных латинских букв «L» соответственно, большие стороны которых параллельны большим сторонам сплошного проводника, при этом сплошной прямоугольный печатный проводник выполнен на обратной поверхности подложки и занимает часть ее площади, причем одна из больших его сторон полностью совпадает с одной из больших сторон подложки, а малые его стороны совпадают с малыми сторонами подложки частично, питающая микрополосковая линия выполнена на лицевой поверхности подложки над сплошным проводником ортогонально его большим сторонам, причем ее начало и конец расположены над большими его сторонами, первый излучающий элемент выполнен на лицевой поверхности подложки вне зоны расположения сплошного прямоугольного печатного проводника, второй излучающий элемент выполнен на обратной поверхности подложки также вне зоны расположения сплошного прямоугольного печатного проводника, причем упомянутый элемент повернут вокруг осевой линии большой его стороны на 180°, в результате чего концы малых сторон обоих излучающих элементов ориентированы в направлении второй большой стороны сплошного прямоугольного печатного проводника, введены дополнительная микрополосковая линия, расположенная на лицевой поверхности подложки коллинеарно питающей микрополосковой линии, и прямоугольный проводящий печатный пьедестал в форме «ласточкина хвоста» с основанием и вершиной, расположенный на обратной поверхности подложки, причем основание пьедестала совпадает с частью второй большой стороны сплошного прямоугольного проводника, а вершина расположена под концом дополнительной микрополосковой линии, при этом в пьедестале для придания ему указанной формы выполнена щель, ширина которой равна толщине подложки, причем большие стороны щели ортогональны вершине пьедестала и делят ее на две равные части, при этом продольная ось симметрии дополнительной микрополосковой линии расположена над продольной линией первой части вершины пьедестала, причем основание пьедестала гальванически соединено с частью второй большой стороны сплошного прямоугольного проводника в зоне их совпадения, начало дополнительной микрополосковой линии гальванически соединено с концом питающей микрополосковой линии, конец дополнительной микрополосковой линии гальванически соединен с концом малой стороны первого излучающего элемента, конец малой стороны второго излучающего элемента гальванически соединен со второй частью вершины пьедестала, длина которого в полтора раза больше большой стороны первого излучающего элемента, а ширина - в пять раз больше ширины дополнительной микрополосковой линии, причем питающая и дополнительная микрополосковые линии выполнены с различными волновыми сопротивлениями.

На фиг.1 изображена предлагаемая печатная антенна в трех проекциях, на фиг.2 - теоретическая и экспериментальная частотные характеристики входного K_ст.U антенны, на фиг.3 - экспериментальные диаграммы направленности по интенсивности поля F_E и F_H в плоскостях векторов напряженности электрического и магнитного полей на частоте наилучшего согласования ƒ₀=2.5 ГГц.

Предлагаемая печатная антенна (фиг.1) содержит тонкую прямоугольную диэлектрическую подложку 1 с лицевой 2 и обратной 3 поверхностями, имеющую пару больших 4, 5 и пару малых 6, 7 сторон. На обратной поверхности 3 подложки 1 выполнен сплошной прямоугольный печатный проводник 8 с парой больших 9, 10 и парой малых 11,12 сторон, занимающий часть ее площади. Большая его сторона 9 полностью совпадает с большой стороной 5 подложки 1, а малые его стороны 11 и 12 совпадают с малыми сторонами 6 и 7 подложки 1 лишь частично. На лицевой поверхности 2 подложки 1 над сплошным проводником 8 ортогонально его большим сторонам 9 и 10 выполнена питающая микрополосковая линия 13, причем ее начало 14 и конец 15 расположены над большими его сторонами 9 и 10 соответственно. Антенна содержит также первый 16 и второй 17 узкие печатные излучающие элементы со сторонами 18, 19 и 20, 21, имеющими различную длину, выполненные в форме повернутых на 90° по направлению и против направления вращения часовой стрелки латинских букв «L» соответственно. Большие стороны 18 и 20 излучающих элементов 16 и 17 параллельны большой стороне 10 (а также и 9) сплошного проводника 8. При этом первый излучающий элемент 16 выполнен на лицевой поверхности 2 подложки 1 вне зоны расположения сплошного прямоугольного печатного проводника 8, а второй излучающий элемент 17 выполнен на обратной поверхности 3 подложки 1 также вне зоны расположения сплошного прямоугольного печатного проводника 8, причем упомянутый элемент 17 повернут вокруг осевой линии «а-а» (фиг.1) большой его стороны 20 на 180°. В результате концы малых сторон 19 и 21 обоих излучающих элементов 16 и 17 ориентированы в направлении большой стороны 10 сплошного прямоугольного печатного проводника. Антенна содержит также дополнительную микрополосковую линию 22, имеющую начало 23 и конец 24, расположенную на лицевой поверхности 2 подложки 1 коллинеарно питающей микрополосковой линии 13. Кроме того, антенна содержит прямоугольный проводящий печатный пьедестал 25 в форме «ласточкина хвоста» с основанием 26 и вершиной 27, расположенный на обратной поверхности 3 подложки 1, причем основание 26 пьедестала 25 совпадает с частью большой стороны 10 сплошного прямоугольного проводника 8, а вершина 27 расположена под концом 24 дополнительной микрополосковой линии 22. В пьедестале 25 для придания ему указанной формы выполнена щель 28, ширина которой равна толщине Н подложки 1, так, что большие стороны щели ортогональны вершине 27 пьедестала 25 и делят ее на две равные части 29 и 30. Каждая из этих частей 29 и 30 будет формировать электромагнитное возбуждение соответствующих излучающих элементов 16 и 17, причем продольная ось симметрии «b-b» дополнительной микрополосковой линии 22 расположена над продольной линией «с-с» первой части 29 вершины 27 пьедестала 25. При этом длина L_P пьедестала 25 в полтора раза больше длины l_1B большой стороны 18 первого излучающего элемента 16, а ширина W_P пьедестала 25 в пять раз больше ширины W_D дополнительной микрополосковой линии 22 соответственно:

L_P=1.5·L_1B; W_P=5·W_D.

Для обеспечения электромагнитного излучения антенной в окружающее пространство основание 26 пьедестала 25 гальванически соединено с частью большой стороны 10 сплошного прямоугольного проводника 8 в зоне их совпадения «d-d», начало 23 дополнительной микрополосковой линии 22 гальванически соединено с концом 15 питающей микрополосковой линии 13, конец 24 дополнительной микрополосковой линии 22 гальванически соединен с концом малой стороны 19 первого излучающего элемента 16, а конец малой стороны 21 второго излучающего элемента 17 гальванически соединен со второй частью 30 вершины 27 пьедестала 25. При этом волновые сопротивления питающей ρ и дополнительной ρ_D микрополосковых линий 13 и 22 различны, что обусловливает различие ширин W и W_D этих линий.

В заявляемой антенне наибольшая концентрация излучения (максимум ее диаграммы направленности) будет ориентирована в направлении, перпендикулярном большой стороне 4 диэлектрической подложки 1. В то же время излучение в направлении, перпендикулярном большой стороне 5 подложки 1, будет практически отсутствовать, так как сплошной печатный проводник 8, за исключением площади поверхности пьедестала 25, соединен гальванически с корпусом объекта установки (фактически - с «землею») по всей поверхности прилегания. При этом расстояния S₁ и S₂ от внешних кромок больших сторон 18 и 20 излучающих элементов 16 и 17 соответственно до большой стороны 4 подложки 1 практически не влияют на характеристики излучения и согласования антенны и выбираются из конструктивно-технологических требований реализации полосковых печатных плат так, чтобы выполнялись условия:

S₁≥W_1R/2; S₂≥W_2R/2.

В свою очередь ширины W_1R и W_2R узких печатных проводников излучающих элементов 16 и 17 выбираются в пределах (1.5...2) мм [W_1R=W_2R=1.5...2 мм] для обеспечения необходимого уровня адгезии проводящей медной фольги и диэлектрика (см., например, работу: «Конструкторско-технологические основы проектирования полосковых микросхем»./ Под ред. И.П.Бушминского. - М.: Радио и связь, 1987. - 272 с.) и также практически не влияют на характеристики излучения и согласования антенны (см., например, работу: «Устройства СВЧ и антенны. Проектирование ФАР». / Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радиотехника, 2003. - 632 с.).

Толщина Н диэлектрической подложки 1, являющейся несущим конструктивным элементом печатной антенны, также практически не влияет на параметры излучения и согласования и учитывается при расчете длин L_1B, L_1М и L_2В, L_2М узких печатных излучающих элементов 16 и 17 (см. вышеупомянутую работу под ред. Д.И.Воскресенского). Поэтому в качестве подложки 1 рекомендуется выбирать отечественные листовые фольгированные диэлектрики с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r и толщиной Н, равными:

ε_r=2...6; Н=1.5...3 мм.

Более существенное влияние на характеристики заявляемой антенны оказывают длина L_P и ширина W_P пьедестала 25 в форме «ласточкина хвоста», длина L_P и ширина W_D дополнительной микрополосковой линии 22, а также ширина W питающей микрополосковой линии 13 (фиг.1). Поскольку стандартные значения волновых сопротивлений ρ₀ питающих коаксиальных кабелей равны 50 или 75 Ом, то оказалось возможным обобщить проведенный Заявителем статистический анализ влияния ширин проводников и рекомендовать следующее соотношение: W_P=5·W_D. При этом обеспечивается необходимая степень концентрации электромагнитного поля в диэлектрике подложки 1 на участке длиной L_P между проводниками 22 и 29, 30 и исключается нежелательное (паразитное) излучение этого фрагмента заявляемой антенны. Тем самым достигается эффективная (близкая к 100%) передача энергии источника сигнала к узким печатным излучающим элементам 16 и 17 в форме прописных латинских букв «L». Токи проводимости, возникающие на проводящих поверхностях этих элементов, формируют в пространстве электромагнитное поле с направлением максимального излучения, перпендикулярном большой стороне 4 подложки 1.

В свою очередь ширина W_D дополнительной микрополосковой линии 22 определяется по найденному из электродинамического анализа волновому сопротивлению ρ_D, которое, в общем случае, не совпадает с волновым сопротивлением ρ питающей микрополосковой линии 13, определяемым также из электродинамического анализа для заданного значения ρ₀ кабеля. В результате ширина W и W_D определяются по найденным значениям ρ и ρ_D с использованием графиков рис.2.41 или рис.2.42 работы: «Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств». / Под ред. В.И.Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.

Принцип действия заявляемой печатной антенны состоит в следующем.

Пусть к началу 14 питающей микрополосковой линии 13 через коаксиальный кабель от генератора с ЭДС E_S (на фиг.1 генератор условно не показан) и внутренним вещественным сопротивлением R_S подводится СВЧ-сигнал, амплитуда которого остается неизменной в широкой полосе частот, включающей в себя требуемый рабочий диапазон ƒ_L...ƒ_R с центральной частотой ƒ₀=(ƒ_L+ƒ_R)/2, которой соответствует длина λ₀=3·10⁸/ƒ₀ центральной волны. При этом центральный проводник кабеля гальванически соединяется с началом 14 (например, пайкой), а оплетка кабеля, также гальванически, соединяется с противоположной точкой сплошного прямоугольного печатного проводника 8. Поданный сигнал, пройдя питающую 13 и дополнительную 22 микрополосковые линии, поступает в точку соединения конца малой стороны 19 первого излучающего элемента 16 и конца 24 дополнительной микрополосковой линии 22. В результате на проводящей поверхности первого излучающего элемента возникает поверхностный ток проводимости, переходящий в ток смещения, протекающий в пространстве, окружающем оба излучающих элемента 16 и 17. Поэтому согласно закону Максвелла о непрерывности полного тока ток смещения приводит к возникновению поверхностного тока проводимости на проводящей поверхности второго излучающего элемента 17, причем направление этого тока проводимости противоположно направлению тока проводимости первого излучающего элемента 16.

Таким образом, при правильной настройке (то есть при соответствующем подборе геометрических размеров L_1B, L_1M, L_2B, L_2M, W_1R, w_2R) излучающих элементов 16 и 17 возникает интенсивное излучение электромагнитной энергии в направлении, перпендикулярном большой стороне 4 диэлектрической подложки 1. В то же время излучение в направлении, перпендикулярном противоположной большой стороне 5 подложки 1, будет существенно ослаблено. Наличие пьедестала 25 в форме «ласточкина хвоста» способствует симметрированию и согласованию обоих излучающих элементов 16 и 17 с питающим кабелем волнового сопротивления ρ₀. Продольная щель 28 обеспечивает поддержание необходимых условий согласования в полосе частот Δƒ=ƒ_R-ƒ_L.

Конкретные величины геометрических размеров элементов предлагаемой печатной антенны (т.е. настройка антенны в целом) определяются в результате поиска оптимального решения соответствующей системы электродинамических уравнений, формируемых на основе метода конечных элементов во временной области. Эффективная концентрация излучения может быть достигнута лишь в конечном рабочем диапазоне частот Δƒ=ƒ_R-ƒ_L, так как при изменении длины волны λ СВЧ-генератора изменяются полные комплексные сопротивления больших 18, 20 и малых 19, 21 сторон обоих излучающих элементов 16 и 17, а также электрическая длина θ_P=2πL_P/λ пьедестала 25 в форме «ласточкина хвоста». Одновременно изменяется электрическая длина θ_D=2πL_P/λ=θ_P дополнительной микрополосковой линии 22, так как ее физическая длина равна длине L_P пьедестала 25. В результате СВЧ-генератор, как принято говорить, нагружен на конце 15 питающей микрополосковой линии 13 итоговым комплексным сопротивлением антенны Z_A=R_A+jX_A, модуль реактивной составляющей которого удается минимизировать до (1...3) % от R_A за счет подбора (настройки) всех ключевых размеров печатной антенны, а саму величину R_A приблизить к величине ρ₀ волнового сопротивления питающего коаксиального кабеля, равной в свою очередь внутреннему сопротивлению R_S СВЧ-генератора: R_A≈ρ₀=R_S.

Выбор ключевых размеров антенны, указанных на фиг.1 и существенно влияющих на ее согласование и направленность, осуществляется по разработанному Заявителем алгоритму поиска экстремума целевой функции F многих переменных, в качестве которых фигурируют ключевые размеры фиг.1. Сама безразмерная целевая функция F формируется как сумма модулей коэффициентов отражения антенны на частотах ƒ_i (i=1...N), взятых из интервала ƒ_L...ƒ_R с шагом δƒ=(ƒ_R-ƒ_L)/N:

.

В свою очередь величины Z_A(ƒ=ƒ_i) рассчитываются с использованием методов интегральных уравнений и конечных элементов во временной области, описанных в работах:

- «Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн»./ Б.А.Панченко, С.Т.Князев, Ю.Б.Нечаев и др. - М.: Радио и связь, 2002, 256 с.

- «Микрополосковые антенны и решетки в слоистых средах». / В.В.Чебышев. - М.: Радиотехника, 2003. - 104 с.

В результате нахождения минимума целевой функции F методом сопряженных градиентов (описанном в работе: Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. «Практическая оптимизация»: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 509 с.) заявляемая печатная антенна при использовании отечественного фольгированного диэлектрика ФАФ-4 (ε_r=2.5) толщиной Н=1.5 мм характеризуется для волнового сопротивления питающего коаксиального кабеля ρ₀=75 Ом и центральной частоты ƒ₀=2.5 ГГц следующими, существенно влияющими на излучение электромагнитной энергии размерами, указанными на фиг.1 (в миллиметрах):

L1B=22;	L1M=4;	L2B=23;	L2M=4.5;
W1R=1.8;	W2R=2.1;	W=2.3;	WD=3.2;
Lp=1.5·L1B=33;		WP=5·WD=16.

Совокупность этих размеров минимизирует реактивную составляющую входного сопротивления антенны, обеспечивая выполнение условия: R_A≈R_S=ρ₀=75 Ом. При этом, в отличие от прототипа, за счет введения дополнительной микрополосковой линии 22 и пьедестала 25 в форме «ласточкина хвоста» удается обеспечить условия компенсации реактивных составляющих комплексных сопротивлений отдельных печатных фрагментов антенны и, следовательно, минимизации реактивной составляющей Х_A входного сопротивления Z_A в более широкой относительной полосе частот Δƒ/ƒ₀, достигающей 9% по уровню K_ст.U=1.5. В то же время минимальный уровень входного коэффициента стоячей волны напряжения (K_ст.U)_min составляет 1.01 (фиг.2, позиция 31 - теоретическая характеристика).

Для экспериментального подтверждения достижения поставленной цели был изготовлен опытный образец заявляемой печатной антенны с центральной частотой ƒ₀=2.5 ГГц и вышеприведенными геометрическими размерами. При этом использовался стандартный коаксиальный кабель РК-75-7-22 с волновым сопротивлением ρ₀=75 Ом, а габариты подложки 1 составили:

- длина больших сторон 4 и 5 - 70 мм;

- длина малых сторон 6 и 7 - 50 мм.

Результаты измерений параметров антенны, полученные в безэховых условиях антенной лаборатории с применением стандартных методик измерений, приведены на фиг.2 и фиг.3. Входной K_ст.U заявляемой антенны (фиг.2, позиция 32, кружки) измерен с использованием генератора «качающейся» частоты и индикатора «Я2Р-67». Диаграммы направленности антенны по полю F_E и F_H измерены по критериям дальней зоны Фраунгофера с использованием клистронного генератора «Г3-22» и микровольтметра-усилителя «В6-4» на поворотных устройствах по азимуту и углу места с точностью установки углов порядка ±1° и представлены на фиг.3 (позиция 33 - для плоскости X0Z вектора напряженности электрического поля; позиция 34 - для плоскости Y0Z вектора напряженности магнитного поля). На этой же фиг.3 в позиции 35 указаны направления осей декартовой системы координат, используемой при построении диаграмм F_E и F_H.

Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о решении поставленной задачи: относительная полоса рабочих частот по уровню K_ст.U=1.5 составляет почти 9% при минимальном значении (K_ст.U)_min=1.03. Это позволяет рекомендовать заявляемую печатную антенну для использования в стационарных и мобильных телекоммуникационных системах СВЧ-диапазона.

Печатная антенна, содержащая тонкую прямоугольную диэлектрическую подложку с лицевой и обратной поверхностями, имеющую пару больших и пару малых сторон, сплошной прямоугольный печатный проводник с парой больших и парой малых сторон, питающую микрополосковую линию, первый и второй узкие печатные излучающие элементы с различными длинами сторон в форме повернутых на 90° по направлению и против направления вращения часовой стрелки прописных латинских букв «L» соответственно, большие стороны которых параллельны большим сторонам сплошного проводника, при этом сплошной прямоугольный печатный проводник выполнен на обратной поверхности подложки и занимает часть ее площади, причем одна из больших его сторон полностью совпадает с одной из больших сторон подложки, а малые его стороны совпадают с малыми сторонами подложки частично, питающая микрополосковая линия выполнена на лицевой поверхности подложки над сплошным проводником ортогонально его большим сторонам, причем ее начало и конец расположены над большими его сторонами, первый излучающий элемент выполнен на лицевой поверхности подложки, вне зоны расположения сплошного прямоугольного печатного проводника, второй излучающий элемент выполнен на обратной поверхности подложки также вне зоны расположения сплошного прямоугольного печатного проводника, причем упомянутый элемент повернут вокруг осевой линии большой его стороны на 180°, в результате чего концы малых сторон обоих излучающих элементов ориентированы в направлении второй большой стороны сплошного прямоугольного печатного проводника, отличающаяся тем, что в нее введены дополнительная микрополосковая линия, расположенная на лицевой поверхности подложки коллинеарно питающей микрополосковой линии, и прямоугольный проводящий печатный пьедестал в форме «ласточкина хвоста» с основанием и вершиной, расположенный на обратной поверхности подложки, причем основание пьедестала совпадает с частью второй большой стороны сплошного прямоугольного проводника, а вершина расположена под концом дополнительной микрополосковой линии, при этом в пьедестале для придания ему указанной формы выполнена щель, ширина которой равна толщине подложки, причем большие стороны щели ортогональны вершине пьедестала и делят ее на две равные части, при этом продольная ось симметрии дополнительной микрополосковой линии расположена над продольной линией первой части вершины пьедестала, причем основание пьедестала гальванически соединено с частью второй большой стороны сплошного прямоугольного проводника в зоне их совпадения, начало дополнительной микрополосковой линии гальванически соединено с концом питающей микрополосковой линии, конец дополнительной микрополосковой линии гальванически соединен с концом малой стороны первого излучающего элемента, конец малой стороны второго излучающего элемента гальванически соединен со второй частью вершины пьедестала, длина которого в полтора раза больше большой стороны первого излучающего элемента, а ширина - в пять раз больше ширины дополнительной микрополосковой линии, причем питающая и дополнительная микрополосковые линии выполнены с различными волновыми сопротивлениями.