ШИРОКОПОЛОСНЫЕ МИКРОПОЛОСКОВЫЕ АНТЕННЫ И АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ

Область техники

Настоящая заявка относится в основном к микрополосковым антеннам, в частности к технологическому оснащению широкополосных антенн.

Уровень техники

При использовании способа формирования голографического изображения в миллиметровом диапазоне волн полные данные могут быть получены только путем выполнения частотного сканирования в определенном частотном диапазоне с тем, чтобы можно было рассчитать трехмерное изображение объекта. В сканирующей системе приемо-передающая антенна располагается сверху, и она служит для передачи сигнала на объект и приема сигналов, отраженных от объекта. Требования к приемо-передающей антенне, составляющей одно целое с системой, включают в себя: 1) небольшой объем для облегчения интеграции антенны; 2) сильная направленность антенны; при этом главный лепесток диаграммы направленности должен быть направлен на объект; и 3) достаточно широкий диапазон частот, удовлетворяющий требованиям системы к частотному диапазону.

При построении системы к приемо-передающей антенне предъявляется ряд требований. С учетом требований по миниатюризации, направленности и интеграции в систему лучшим вариантом является микрополосковая антенна. Однако стандартная микрополосковая антенна обычно характеризуется узкой полосой частот. Если за критерий взять коэффициент стоячей волны по напряжению <2, то относительный диапазон частот будет составлять, как правило, менее 10%. Если взять, к примеру, антенну с центральной частотой 30 ГГц, то рабочий диапазон при коэффициенте стоячей волны по напряжению <2 составит 3 ГГц. Такой диапазон совершенно не удовлетворяет эксплуатационным требованиям.

Расширить частотный диапазон микрополосковой антенны можно несколькими способами, в том числе: 1) путем уменьшения значения добротности (Q) эквивалентной схемы; 2) путем увеличения толщины диэлектрика, уменьшения диэлектрической проницаемости ε_r и увеличения тангенса угла потерь диэлектрика tgδ, что, однако, приведет к увеличению потерь в антенне; 3) путем добавления пассивного излучателя или за счет использования эффекта электромагнитного взаимодействия; 4) путем разработки схемы согласования импедансов, что, однако, приведет к увеличению размеров антенны; и 5) за счет использования решетчатой конструкции.

Из уровня техники известна широкополосная микрополосковая антенна (см. публикацию патента RU 2122263 С1, МПК H01Q 1/38, опубл. 20.11.1998), содержащая 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 излучателей образованы зазоры, не превышающие по ширине толщину подложки.

Различные технические решения, упомянутые выше, расширяют диапазон частот за счет увеличения размеров антенны или снижения эффективности. Кроме того, диаграмма направленности антенны может изменяться в зависимости от конкретного способа увеличения частотного диапазона.

За эти годы была разработана широкополосная антенна миллиметрового диапазона, а также подробно разработано ее технологическое оснащение. С учетом требования к направленности, описанного в настоящей заявке, технологическое оснащение, которое могло бы расширить частотный диапазон с обеспечением сильной направленности, является большой редкостью. В существующем способе расширения диапазона обычно используется добавление слота в диэлектрической пластине или пассивном излучателе, что обеспечивает соответствие требованиям к частотному диапазону, но дает слабую направленность.

Сущность изобретения

Принимая во внимание недостатки прототипа, предлагается широкополосная микрополосковая антенна, характеризующаяся меньшими размерами и сильной направленностью, а также антенная решетка.

Одним объектом настоящего изобретения является широкополосная микрополосковая антенна, включающая диэлектрическую подложку прямоугольной формы; излучающую панель на верхней поверхности диэлектрической подложки; соединительную панель, выполненную на верхней поверхности диэлектрической подложки и проходящую от края диэлектрической подложки до точки, находящейся на расстоянии от соответствующей излучающей панели; металлическую опору на нижней поверхности диэлектрической подложки, проходящую от края нижней поверхности диэлектрической подложки вниз к заземлению; и слой воздуха заданной толщины, образуемый между нижней поверхностью диэлектрической подложки и заземлением.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения металлическая опора выполнена из меди.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения слой воздуха имеет толщину в пределах 0,5-3,0 мм.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения значения расстояния между излучающей панелью и соединительной панелью лежат в пределах 0,4-0,5 мм.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения соединительная панель имеет длину в пределах 1,5-2,5 мм и ширину в пределах 0,5-1,2 мм.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения излучающая панель имеет длину в пределах 4,0-5,0 мм и ширину в пределах 2,0-3,0 мм.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения широкополосная микрополосковая антенна работает в диапазоне частот K-Ka.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения широкополосная микрополосковая антенна содержит микрополосковый фидер, подключенный к соединительной панели.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения металлическая опора представляет собой медные пластины, установленные с двух сторон диэлектрической подложки.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения медная пластина имеет ширину в пределах 0,4-0,6 мм.

Еще одним объектом настоящего изобретения является антенная решетка, включающая в себя множество описанных выше широкополосных микрополосковых антенн с линейным расположением.

Еще одним объектом настоящего изобретения является антенная решетка, включающая в себя диэлектрическую подложку прямоугольной формы; множество излучающих панелей, расположенных с определенным интервалом по длине диэлектрической подложки на ее верхней поверхности; множество соединительных панелей на верхней поверхности диэлектрической подложки, расположенных в соответствии с множеством излучающих панелей, проходящих от края диэлектрической подложки и заканчивающихся на расстоянии от соответствующих излучающих панелей; металлическую опору на нижней поверхности диэлектрической подложки, проходящую от края нижней поверхности диэлектрической пластины вниз к заземлению; и слой воздуха заданной толщины, образуемый между нижней поверхностью диэлектрической подложки и заземлением.

Используя техническое решение, описанное выше, можно улучшить направленность широкополосной микрополосковой антенны, сохранив при этом ее относительно небольшие размеры.

Краткое описание чертежей

На представленных ниже чертежах проиллюстрированы примеры реализации настоящего изобретения. Чертежи и примеры реализации настоящего изобретения представляют некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, не ограничивая и не исчерпывая его объем, где:

На Фиг. 1 показан вид сверху микрополосковой антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 2 показан вид справа микрополосковой антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 3 показан вид спереди микрополосковой антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 4 показан вид снизу микрополосковой антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 5 представлен вид микрополосковой антенны в разрезе в направлении, показанном на Фиг. 1, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 6 показана диаграмма коэффициентов стоячей волны по напряжению микрополосковой антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 7 показана диаграмма направленности микрополосковой антенны при частоте 28 ГГц согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, где сплошная линия и пунктирная линия обозначают, соответственно, Phi=0° и Phi=90°;

На Фиг. 8 показана диаграмма направленности антенной решетки согласно еще одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 9 показан вид сверху волноводно-рупорной антенной решетки согласно еще одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 10 показан вид в разрезе волноводно-рупорной антенной решетки, представленной на Фиг. 9;

На Фиг. 11 показана диаграмма коэффициентов стоячей волны по напряжению приемо-передающей антенны;

На Фиг. 12 показана диаграмма направленности антенной решетки;

На Фиг. 13 показана развязка антенной решетки без рупорных излучателей; и

На Фиг. 14 показана развязка антенной решетки с рупорными излучателями.

Подробное описание изобретения

Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения подробно описаны ниже. Следует отметить, что представленные в настоящем документе варианты осуществления изобретения носят исключительно иллюстративный характер и не ограничивают объем настоящего изобретения. В описании ниже разъясняется ряд конкретных особенностей с тем, чтобы обеспечить лучшее понимание сущности настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение может быть реализовано и без этих конкретных деталей. В прочих примерах осуществления настоящего изобретения не описаны широко используемые схемы, материалы или способы, что сделано специально для того, чтобы не затруднять понимание сути изобретения.

Встречающиеся по всему описанию настоящего изобретения ссылки на «один из вариантов», «вариант», «один из примеров» или «пример» означают, что характерные признаки, конструкции или свойства, описанные в отношении какого-либо варианта или примера осуществления настоящего изобретения, включены, по меньшей мере, в один из вариантов осуществления настоящего изобретения. Следовательно, фразы «согласно одному из вариантов», «в одном из вариантов», «в одном из примеров» или «в примере», разбросанные по всему описанию настоящего изобретения, могут не относиться к одному и тому же варианту или примеру осуществления настоящего изобретения. Кроме того, характерные признаки, конструкции или свойства могут быть объединены в один или несколько вариантов или примеров осуществления настоящего изобретения любым приемлемым способом. Помимо этого, специалистам в данной области техники понятно, что термин «и/или», используемый в настоящей заявке, означает любые возможные комбинации одной или нескольких перечисленных позиций.

В качестве антенны, характеризующейся широким частотным диапазоном, сильной направленностью и небольшими размерами, варианты осуществления настоящего изобретения представляют широкополосную микрополосковую антенну. Эта антенна содержит диэлектрическую подложку прямоугольной формы; излучающую панель на верхней поверхности диэлектрической подложки; соединительную панель на верхней поверхности диэлектрической подложки, проходящую от края диэлектрической подложки и заканчивающуюся на расстоянии от излучающей панели; металлическую опору на нижней поверхности диэлектрической подложки, проходящую от края нижней поверхности диэлектрической пластины вниз к заземлению; и слой воздуха заданной толщины, образованный между нижней поверхностью диэлектрической подложки и заземлением. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения антенна работает на высокой частоте (например, с центральной частотой диапазона K-Ka, т.е. она представляет собой антенну миллиметрового диапазона) и характеризуется относительным частотным диапазоном свыше 20%. Главный лепесток диаграммы направленности обращен в пространство над антенной с тем, чтобы большую часть энергии можно было использовать для более эффективного обнаружения. Кроме того, антенна характеризуется небольшими размерами. Например, один из ее размеров равен длине рабочей волны.

На Фиг. 1, 2, 3 и 4 представлены виды микрополосковой антенны, соответственно, сверху, справа, спереди и снизу согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 1, антенна включает в себя диэлектрическую подложку 110 прямоугольной формы, излучающую панель 120 и соединительную панель 130. Как показано на Фиг. 3, частотный диапазон антенны расширен за счет добавления слоя 160 воздуха и использования электромагнитного взаимодействия; при этом в ней использован микрополосковый фидер на 50 Ом.

Как показано, излучающая панель 120 расположена на верхней поверхности диэлектрической подложки 110. Соединительная панель 130 также расположена на верхней поверхности диэлектрической подложки 110; при этом она проходит от края диэлектрической подложки 110 и заканчивается на расстоянии от излучающей панели 120. Металлическая опора 140 расположена на нижней поверхности диэлектрической подложки 110; при этом она проходит от края нижней поверхности диэлектрической пластины 110 вниз к заземлению 150. Между нижней поверхностью диэлектрической подложки и заземлением образуется слой 160 воздуха заданной толщины.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения диэлектрическая подложка 110 выполнена из материала Rogers5880, характеризующегося толщиной в пределах 0,2-0,4 мм, предпочтительно - 0,254 мм; диэлектрической проницаемостью ε свыше 2, предпочтительно - 2,2; и тангенсом угла потерь диэлектрика 0,0009. Диэлектрическая подложка характеризуется длиной в пределах 6,5-8,5 мм, предпочтительно - 7,8 мм; шириной в пределах 5-7 мм, предпочтительно - 6,1 мм.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения слой 160 воздуха характеризуется толщиной ha в пределах 0,5-3,0 мм, предпочтительно - 1,0 мм. Соединительная панель 130 характеризуется длиной lpl в пределах 1,5-2,5 мм, предпочтительно - 1,9 мм; и шириной wpl в пределах 0,5-1,2 мм, предпочтительно - 0,8 мм. Излучающая панель 120 характеризуется длиной lp в пределах 4,0-5,0 мм, предпочтительно - 2,7 мм; и шириной wp в пределах 2,0-3,0 мм, предпочтительно - 4,5 мм. Излучающая панель 120 и соединительная панель 130 удалены друг от друга на заданное расстояние d, значение которого лежит в пределах 0,4-0,5 мм, предпочтительно - 0,45 мм. Кроме того, снизу слоя 160 диэлектрика предусмотрена металлическая опора. Согласно предпочтительному варианту металлическая опора представляет собой медную пластину шириной в пределах 0,4-0,6 мм, предпочтительно - 0,5 мм. С одной стороны металлическая опора поддерживает диэлектрическую подложку 110, а с другой стороны - обеспечивает требуемое заземление во время монтажа.

На Фиг. 5 показан вид в разрезе микрополосковой антенны в направлении, показанном на Фиг. 1, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 5, металлическая опора 140 расположена с краю нижней поверхности диэлектрической подложки и идет вниз (вправо на разрезе, показанном на Фиг. 5).

На Фиг. 6 показана диаграмма коэффициентов стоячей волны по напряжению (КСВН) микрополосковой антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 6, антенна с КСВН <2 характеризуется шириной полосы пропускания, определяемой по полному входному сопротивлению, на уровне 10 ГГц (23 ГГц-33 ГГц), центральной частотой на уровне 28 ГГц и относительным частотным диапазоном 35,7%, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сверхширокополосным антеннам. На Фиг. 7 показана диаграмма направленности микрополосковой антенны при частоте 28 ГГц согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, где сплошная линия и пунктирная линия обозначают, соответственно, Phi=0° и Phi=90°. Как можно видеть на Фиг. 7, главный лепесток диаграммы направленности антенны обращен в пространство прямо над излучающей поверхностью, что отвечает эксплуатационным требованиям.

Хотя выше описана антенна с конкретными параметрами, специалистам в данной области техники очевидно, что можно соответствующим образом изменить эти параметры с тем, чтобы изменить значения центральной частоты и относительного частотного диапазона.

Конструкция отдельной микрополосковой антенны описана выше. Используя такие антенны, специалисты в данной области техники могут построить антенную решетку. На Фиг. 8 показана диаграмма антенной решетки согласно еще одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 8, антенная решетка может функционировать в качестве передающей антенны или приемной антенны. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения антенная решетка может содержать множество широкополосных микрополосковых антенн с линейным расположением, как это показано на Фиг. 1. В других вариантах осуществления настоящего изобретения для множества микрополосковых антенн может быть предусмотрена единая металлическая опора.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения предусмотрена антенная решетка, включающая в себя диэлектрическую подложку прямоугольной формы, а также множество излучающих панелей и множество соединительных панелей, расположенных на верхней поверхности диэлектрической подложки и соответствующих друг другу. Например, множество излучающих панелей расположено с определенным интервалом по длине диэлектрической подложки на ее верхней поверхности. Множество соединительных панелей расположено в соответствии с множеством излучающих панелей. Каждая из соединительных панелей расположена на верхней поверхности диэлектрической подложки; при этом она отходит от края поверхности диэлектрической подложки, не доходя на заданное расстояние до излучающей панели. Антенная решетка содержит также металлическую опору на нижней поверхности диэлектрической подложки, идущую от края указанной нижней поверхности диэлектрической подложки вниз до заземления; а также слой воздуха заданной толщины, образуемый между нижней поверхностью диэлектрической подложки и заземлением. Таким образом, образуется антенная решетка из множества широкополосных микрополосковых антенн.

Важным параметром системы связи является развязка между передающей антенной и приемной антенной. При слабой развязке перекрестные помехи между передающими сигналами и приемными сигналами характеризуются высоким уровнем сигнала, что приводит к относительно низкому качеству связи. Обычно развязка антенн указывает на отношение сигнала, полученного какой-либо антенной с другой антенны, к сигналу, переданному другой антенной.

Для усиления развязки на направлении электромагнитного взаимодействия между передающей антенной и приемной антенной может быть предусмотрен барьер, блокирующий эффект электромагнитного взаимодействия. В альтернативном варианте может быть использована передающая антенна двойной поляризации, где при передаче и приеме используется, соответственно, ортогональная линейная поляризация и ортогональная круговая поляризация. Кроме того, между передающей антенной и приемной антенной можно предусмотреть дополнительный канал связи для нейтрализации исходных взаимодействующих сигналов.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения может быть предусмотрен волноводно-рупорный излучатель, соответствующий описанной выше микрополосковой антенне миллиметрового диапазона, служащий для усиления развязки между передающей антенной и приемной антенной с сохранением широкой полосы частот и направленности передающей антенны и приемной антенны.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения диапазон каждой антенны расширяется за счет добавления слоя воздуха и использования эффекта электромагнитного взаимодействия, описанного выше; при этом в каждой антенне используется микрополосковый фидер на 50 Ом. Для всей системы в целом используется одномерная антенная решетка. Межцентровое расстояние антенн лежит в пределах 8,0-15,0 мм, предпочтительно - 10,4 мм. Относительное положение передающей антенны и приемной антенны показано на Фиг. 8. Расстояние между передающей антенной и приемной антенной по вертикали лежит в пределах 20-40 мм, предпочтительно - 30 мм. По горизонтали передающие антенны отстоят от приемных антенн на расстояние в пределах 4.0-6,0 мм, предпочтительно - 5,2 мм. Антенная решетка функционирует как одиночная приемная и передающая антенна.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения для антенной решетки может быть спроектирована микрополосковая антенна, показанная на Фиг. 1. Рупорный излучатель, соответствующий антенной решетке, включает в себя волновод прямоугольной формы с рупорами. Например, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения рупор излучателя включает в себя часть прямоугольного волновода и собственно рупор. Размер прямоугольного волновода идентичен размеру панели соответствующей микрополосковой антенны.

Как показано на Фиг. 9 и 10, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения предусмотрена волноводно-рупорная антенная решетка. Прямоугольная металлическая пластина 211 обработана таким образом, что ее поперечное сечение содержит множество отверстий, расположенных по всей длине прямоугольной металлической пластины 211. Нижняя часть каждого отверстия выполнена в виде прямоугольного волновода 214, а верхняя часть - в виде рупора 213. С двух сторон отверстий на верхней поверхности прямоугольной металлической пластины предусмотрен желобок 212 заданной глубины, который тянется в направлении расположения множества отверстий. Высота рупора варьируется в пределах 10-14 мм; при этом согласно предпочтительному варианту она составляет 13 мм. Ширина рупора соответствует ширине волновода, а его длина лежит в пределах 9-12 мм, предпочтительно - 11 мм. С двух сторон решетки рупорных излучателей предусмотрены две металлические полоски шириной 2 мм; при этом эти металлические полоски расположены симметрично с тем, чтобы обеспечить симметричность диаграммы направленности антенны, дополненной волноводно-рупорным излучателем.

Кроме того, в желобках 212 выполнено множество резьбовых отверстий (не показаны) для соединения решетки волноводно-рупорных излучателей с антенной решеткой. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения желобок 212 характеризуется шириной в пределах 3,0-5,0 мм, предпочтительно - 4 мм; и глубиной в пределах 8,0-12,0 мм, предпочтительно - 10 мм.

На Фиг. 11 и 12 показаны, соответственно, диаграмма коэффициентов стоячей волны по напряжению приемо-передающей антенны и диаграмма направленности приемо-передающей антенны. На Фиг. 13 и 14 показана развязка антенной решетки без решетки рупорных излучателей и развязка антенной решетки с решеткой рупорных излучателей. Как можно видеть на Фиг. 11 и 12, антенна с решеткой рупорных излучателей сохраняет свои преимущества в виде широкой полосы частот, сфокусированного главного лепестка диаграммы направленности и небольших размеров; при этом диапазон частот при КСВН <2 составляет 22,8-30,5 ГГц, а относительный диапазон частот может достигать 28,9%. Если сравнить Фиг. 13 с Фиг. 14, то можно заметить, что решетка волноводно-рупорных излучателей усиливает развязку на 5-10 дБ. В общем, новая решетка рупорных излучателей удовлетворяет цели усиления развязки.

Как можно видеть, микрополосковая антенна согласно вариантам осуществления настоящего изобретения имеет преимущество, заключающееся в ее небольших размерах, что облегчает ее интеграцию. Кроме того, в варианте осуществления настоящего изобретения, в котором микрополосковая антенна выполнена в комбинации с волноводно-рупорным излучателем, можно сохранить положительные свойства такой антенны в отношении диапазона частот и направленности, усилив при этом развязку между передающей антенной и приемной антенной в системе.

Хотя настоящее изобретение описано в привязке к нескольким типовым вариантам его осуществления, специалистам в данной области техники очевидно, что такое описание носит исключительно иллюстративный и разъяснительный характер, не ограничивающий объем изобретения. Настоящее изобретение может быть осуществлено в различных формах без отступления от его существа и объема. Следует понимать, что варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены какими-либо вышеизложенными сведениями и должны толковаться расширительно в пределах сущности и объема изобретения, определенных его формулой. Таким образом, объем настоящего изобретения, который определен прилагаемой формулой, должен охватывать модификации и альтернативные решения, подпадающие под формулу настоящего изобретения и ее эквиваленты.