PL218961B1

PL218961B1 - Microstrip sector antenna with polarization perpendicular to its longitudinal axis

Info

Publication number: PL218961B1
Application number: PL388952A
Authority: PL
Inventors: Przemysław Fert
Original assignee: Fert Przemysław Elboxrf
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2015-02-27
Also published as: PL388952A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest mikropaskowa antena sektorowa o polaryzacji zasadniczo prostopadłej do jej osi wzdłużnej mająca obudowę, w której znajduje się metalowa warstwa ekranująca, nad którą znajduje się płytka dielektryczna, na którą naniesiona jest struktura mikropaskowa mająca wiele łat promieniujących rozmieszczonych zasadniczo równolegle do ścieżki zasilającej anteny, równoodległe od siebie i zasadniczo symetrycznie względem środka ścieżki zasilającej anteny.The subject of the invention is a microstrip sector antenna with a polarization substantially perpendicular to its longitudinal axis, having a housing in which there is a metal shielding layer, over which there is a dielectric plate, on which is applied a microstrip structure having a number of radiating patches arranged substantially parallel to the antenna feed path, equidistant from each other and substantially symmetric to the center of the antenna feed path.

W pewnych zastosowaniach, na przykład w bezprzewodowej transmisji internetowej, pożądane jest, aby mikropaskowe anteny sektorowe cechowały się wysoką szerokopasmowością pracy, czystością polaryzacyjną i miały znacząco ograniczone listki boczne charakterystyki promieniowania. W tym celu zaproponowano już wiele konstrukcji anten mikropaskowych o zróżnicowanych parametrach.In some applications, such as wireless internet broadcasting, it is desirable that sector microstrip antennas have high broadband operation, polarization purity, and have significantly reduced side lobes in the radiation pattern. For this purpose, many designs of microstrip antennas with various parameters have already been proposed.

W zgłoszeniu US 2004/0041732 ujawniono wieloelementową antenę planarną, której jedna z odmian struktury mikropaskowej ma wiele elementów promieniujących rozmieszczonych równolegle do głównej ścieżki zasilającej, z których każdy ma dwie połączone ze sobą łaty promieniujące rozmieszczone symetrycznie po obu stronach tej ścieżki i sprzężone z nią elektromagnetycznie za pośrednictwem szczelin zasilających wytrawionych w dolnej, jednolitej warstwie przewodzącej i uziemiającej anteny.US 2004/0041732 discloses a multi-element planar antenna, one variation of the microstrip structure having a plurality of radiating elements disposed parallel to the main feed path, each having two interconnected radiating patches symmetrically disposed on both sides of the path and electromagnetically coupled thereto. through the feed slots etched into the lower uniform conductive and ground layer of the antenna.

Celem wynalazku jest dostarczenie mikropaskowej anteny sektorowej o polaryzacji zasadniczo prostopadłej do jej osi wzdłużnej, która cechowałaby się wysoką szerokopasmowością pracy, czystością polaryzacyjną i miała znacząco ograniczone listki boczne charakterystyki promieniowania, a jednocześnie była ekonomiczna i prosta do wytworzenia bez konieczności stosowania szczególnych rodzajów laminatów czy też wyspecjalizowanych metod produkcyjnych.The object of the invention is to provide a microstrip sector antenna with a polarization substantially perpendicular to its longitudinal axis, which would have high broadband operation, polarization purity and significantly reduced side lobes of radiation characteristics, and at the same time be economical and simple to manufacture without the need for special types of laminates or specialized production methods.

Istotą wynalazku jest opisana na wstępie mikropaskowa antena sektorowa o polaryzacji zasadniczo prostopadłej do jej osi wzdłużnej, charakteryzująca się tym, że każda z rzeczonych łat promieniujących ma trapezoidalny obszar wierzchołkowy, którego krótsza podstawa jest równoległa do ścieżki zasilającej i oddalona od ścieżki zasilającej szczeliną sprzęgającą elektromagnetycznie ścieżkę zasilającą z łatą promieniującą.The essence of the invention is the initially described microstrip sector antenna with a polarization substantially perpendicular to its longitudinal axis, characterized in that each of said radiating patches has a trapezoidal apex, the shorter base of which is parallel to the feed path and distant from the feed path through the electromagnetically coupling path. supply with radiating patch.

Szczeliny regulują impedancje poszczególnych łat promieniujących, a ponadto mogą służyć do różnicowania lub podziału mocy dostarczanej ze ścieżki zasilającej do poszczególnych łat (bądź odwrotnie), w wyniku czego można regulować poziom listków bocznych i/lub kształtować charakterystykę anteny w pożądany sposób.The slots regulate the impedances of the individual radiating patches and, moreover, they can be used to differentiate or divide the power supplied from the feed path to the individual patches (or vice versa), whereby the level of the side lobes can be adjusted and / or the antenna characteristics can be shaped as desired.

Równoległa do ścieżki zasilającej krawędź obszaru wierzchołkowego ujednolica między innymi parametry sprzężeń elektromagnetycznych poszczególnych łat promieniujących niwelując niejednorodności związane z procesem trawienia warstwy przewodnika na płytce dielektrycznej.The edge of the apex area, parallel to the supply path, unifies, inter alia, the parameters of electromagnetic couplings of individual radiating patches, eliminating inhomogeneities related to the process of etching the conductor layer on the dielectric plate.

Korzystne jest, aby szczelina sprzężenia elektromagnetycznego leżała na wspólnej płaszczyźnie łat promieniujących i ścieżki zasilającej anteny. Pozwala to na uproszczenie konstrukcji anteny ponieważ zarówno łaty promieniujące, jak i układ ścieżek zasilających mogą być na przykład wytrawione po jednej stronie płytki drukowanej.It is preferable that the electromagnetic coupling gap lies in the common plane of the radiating staffs and the antenna feed path. This makes it possible to simplify the design of the antenna because both the radiating patches and the arrangement of the feed paths can be etched on one side of the circuit board, for example.

Alternatywnie szczelina sprzężenia elektromagnetycznego leży w płaszczyźnie zasadniczo prostopadłej do płaszczyzny łat promieniujących. Inaczej mówiąc ścieżka zasilająca leży pomiędzy płaszczyzną łat promieniujących a płaszczyzną ekranująca, co zmniejsza jej niekorzystny wpływ na charakterystykę promieniowania anteny.Alternatively, the electromagnetic coupling slot is in a plane substantially perpendicular to the plane of the radiating patches. In other words, the feed path lies between the plane of the radiating patches and the shielding plane, which reduces its adverse effect on the radiation pattern of the antenna.

W szczególnie korzystnej realizacji mikropaskowej anteny sektorowej według wynalazku, jej łaty promieniujące mają kształt zasadniczo kwadratowy i wycięcia kompensacyjne, których długość zawiera się w przedziale od 1/4 do 1/2 długości przekątnej elementu promieniującego, a ścieżka zasilająca ma dwa symetrycznie rozmieszczone zestawy prostopadłych stroików impedancyjnych.In a particularly preferred embodiment of the microstrip sector antenna according to the invention, its radiating patches are substantially square in shape and have compensation notches whose length is in the range from 1/4 to 1/2 of the diagonal length of the radiating element, and the feed path has two symmetrically arranged sets of perpendicular reeds. impedance.

W takiej realizacji szczególnie korzystne jest aby co najmniej dwa, korzystnie skrajne, łaty promieniujące wyposażone były w elementy modyfikacji rozpływu prądu równoległe do osi wzdłużnej struktury mikropaskowej. Odpowiednia modyfikacja rozpływu prądu w łatach promieniujące polepsza własności anteny.In such an embodiment, it is particularly preferred that at least two, preferably extreme, radiating patches are provided with current flow modification elements parallel to the longitudinal axis of the microstrip structure. Appropriate modification of the current flow in the radiating patches improves the properties of the antenna.

Wynalazek przedstawiono w korzystnych przykładach wykonania na rysunku, na którym odpowiednie figury przedstawiają:The invention is illustrated in preferred embodiments by the drawing, in which the relevant figures show:

fig. 1 mikropaskową antenę sektorową według wynalazku w schematycznym widoku perspektywicznym,Fig. 1 is a schematic perspective view of a microstrip sector antenna according to the invention,

PL 218 961 B1 fig. 2 fragment przykładowej struktury mikropaskowej anteny według wynalazku, w której szczelina sprzężenia elektromagnetycznego jest współpłaszczyznowa ze ścieżką zasilającą anteny w widoku z góry, fig. 3 fragment kolejnej przykładowej struktury mikropaskowej anteny według wynalazku, w której szczelina sprzężenia elektromagnetycznego leży w płaszczyźnie zasadniczo prostopadłej do płaszczyzny łat promieniujących w widoku z góry (fig. 3a) i z boku (fig. 3b, po zdjęciu obudowy), a fig. 4 szczególnie korzystną realizację struktury mikropaskowej anteny według wynalazku.Fig. 2 is a fragment of an exemplary microstrip structure of an antenna according to the invention, in which the electromagnetic coupling slot is coplanar with the antenna feed path in a top view, Fig. 3, a fragment of another exemplary microstrip structure of an antenna according to the invention, in which the electromagnetic coupling slot lies within a plane substantially perpendicular to the plane of the radiating patches in top view (fig. 3a) and from the side (fig. 3b, after removal of the housing), and fig. 4 a particularly preferred embodiment of the microstrip structure of the antenna according to the invention.

Mikropaskowa antena sektorowa 1 przedstawiona na rysunku fig. 1 jest umieszczona w obudowie 2, z tworzywa sztucznego oznaczonej schematycznie linią przerywaną.The microstrip sector antenna 1 shown in FIG. 1 is housed in a plastic housing 2 schematically indicated by a broken line.

Podstawowy układ promieniujący (nadawczy bądź odbiorczy) anteny 1 stanowi struktura mikropaskowa 3 nadrukowana bądź wytrawiona na prostokątnej płytce dielektrycznej 4.The basic radiating system (transmitting or receiving) of antenna 1 is a microstrip structure 3 printed or etched on a rectangular dielectric plate 4.

Płytka dielektryczna 4 może być wykonana z laminatu ze szkła epoksydowego, takiego jak na przykład laminat FR4 o kącie stratności δ równym 0,02 i przenikalności elektrycznej e_r wynoszącej 4,3, produkowanego przez firmę Isola GmbH, laminatu ceramiczno-teflonowego, na przykład produkowanego przez firmę Rogers, lub innego dowolnego materiału o właściwościach odpowiednich dla danego zakresu pracy anteny. Płytka dielektryczna 4, na której wytrawiona jest struktura mikropaskowa 3 stanowi dla niej oczywiście jedynie strukturę wsporczą. Struktura mikropaskowa 3 może być również wykonana przez jej wycięcie na przykład z blachy miedzianej i może stanowić strukturę samonośną.The dielectric plate 4 can be made of an epoxy glass laminate such as, for example, a FR4 laminate with a loss angle δ of 0.02 and an electric permeability e _r of 4.3, produced by Isola GmbH, a ceramic-Teflon laminate, for example manufactured by by Rogers, or any other material with properties appropriate to the operating range of the antenna. The dielectric plate 4 on which the microstrip structure 3 is etched is of course only a support structure for it. The microstrip structure 3 can also be made by cutting it out of, for example, a copper sheet, and can be a self-supporting structure.

Pod płytką dielektryczną 4 znajduje się równoległa do struktury mikropaskowej 3 metalowa płytka ekranująca 5, oddzielona od struktury mikropaskowej 3 warstwą dielektryczną składającą się z warstwy powietrznej i warstwy płytki dielektrycznej 4.Below the dielectric plate 4 there is a metal shielding plate 5 parallel to the microstrip structure 3, separated from the microstrip structure 3 by a dielectric layer consisting of an air layer and a dielectric plate layer 4.

Nad strukturą mikropaskową 3 znajduje się warstwa dielektryczna składająca się z warstwy powietrznej i warstwy powierzchni obudowy 2.Above the microstrip structure 3 there is a dielectric layer consisting of an air layer and a casing surface layer 2.

Do płytki ekranującej 5 zamocowane jest gniazdo 6, mające korpus połączony elektrycznie z płytką ekranującą 5 i metalowy izolowany trzpień 7 połączony elektrycznie z przewodząca ścieżką zasilającą 32 struktury mikropaskowej 3. Do gniazda 6 można podłączyć niepokazany na rysunku kabel nadawczy lub odbiorczy służący do nadawania lub odbioru sygnału.A socket 6 is attached to the shielding plate 5, having a body electrically connected to the shielding plate 5 and a metal insulated pin 7 electrically connected to the conductive power path 32 of the microstrip structure 3. A transmitting or receiving cable, not shown in the drawing, for transmitting or receiving can be connected to the socket 6. signal.

W tym przykładzie wykonania strukturę mikropaskową 3 tworzy ścieżka zasilająca 32 oraz osiem współliniowych kwadratowych łat promieniujących 31. Kształt ścieżki 32 oraz kształty, wymiary i wzajemna separacja przestrzenna łat promieniujących 31 zostały dopasowane do wymaganych parametrów pracy anteny.In this embodiment, the microstrip structure 3 is formed by the feed path 32 and eight collinear square radiating patches 31. The shape of the path 32 and the shapes, dimensions and mutual spatial separation of the radiating patches 31 were matched to the required antenna operating parameters.

Dalsze szczegóły struktury mikropaskowej 3 anteny według wynalazku omówiono w nawiązaniu do rysunku fig. 2-4. Odsyłacze numeryczne elementów odpowiadających sobie pozostają takie same o ile nie zaznaczono inaczej.Further details of the microstrip structure 3 of an antenna according to the invention are discussed with reference to Figs. 2-4. Numeric references for corresponding items remain the same unless otherwise noted.

Na rysunku fig. 2 zilustrowano fragment przykładowej struktury mikropaskowej zawierający dwie identyczne łaty promieniujące 31. Jak widać każda z nich posiada obszar wierzchołkowy 311 mający krawędź równoległą do wzdłużnego obszaru ścieżki zasilającej. Pomiędzy tą krawędzią a krawędzią ścieżki zasilającej 32 tworzy się szczelina „D” sprzężenia elektromagnetycznego, która w tym przypadku leży na płaszczyźnie wspólnej płaszczyźnie łat 31 i ścieżki zasilającej 32. Szczeliny regulują impedancje poszczególnych łat promieniujących, a ponadto różnicują podział mocy dostarczanej ze ścieżki zasilającej 32 do poszczególnych łat, promieniujących 31. Umożliwia to regulacje poziomu listków bocznych anteny i pożądane kształtowanie charakterystyki anteny.Figure 2 shows a portion of an exemplary microstrip structure comprising two identical radiating patches 31. As can be seen, each has a peak region 311 having an edge parallel to the longitudinal region of the feed path. An electromagnetic coupling gap "D" is formed between this edge and the edge of the power path 32, which in this case lies in the common plane of the battens 31 and the power path 32. The slots regulate the impedances of the individual radiating patches and furthermore differentiate the distribution of the power supplied from the power path 32 to the individual radiating patches 31. This allows the level of the side lobes of the antenna to be adjusted and the antenna characteristics to be shaped as desired.

W alternatywnym przykładzie wykonania pokazanym na rysunku fig. 3 łaty promieniujące 31 naniesione na górną stronę płytki dielektrycznej 4 mają obszary wierzchołkowe 311 o krawędziach równoległych do ścieżki zasilającej, która naniesiona jest na dolną stronę płytki dielektrycznej 4. Inaczej mówiąc szczelina sprzężenia elektromagnetycznego „D” leży w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny łat promieniujących 31.In an alternative embodiment shown in Fig. 3, the radiating patches 31 applied to the upper side of the dielectric plate 4 have apex regions 311 with edges parallel to the feed path which is plotted on the lower side of the dielectric plate 4. In other words, the electromagnetic coupling gap "D" lies. in a plane perpendicular to the plane of the radiating staffs 31.

W przypadku pokazanym na rysunku fig. 3 przypadkach łaty promieniujące mają, po stronie przeciwnej do obszaru wierzchołkowego 311, wycięcia kompensacyjne 312 prostopadłe do osi wzdłużnej anteny. Wycięcia te minimalizują tak zwane „przesłuchy pomiędzy polaryzacjami a tym samym polepszają czystość polaryzacyjną anteny.In the case of FIG. 3, the radiating patches have, on the side opposite to the apex region 311, compensation notches 312 perpendicular to the longitudinal axis of the antenna. These cutouts minimize the so-called "cross-polarization" and thus improve the polarization purity of the antenna.

Na rysunku fig. 4 przedstawiono szczególnie korzystną strukturę mikropaskową anteny sektorowej według wynalazku, której środek stanowiący zarazem punkt podłączenia przewodu nadawczego lub odbiorczego zaznaczono strzałką. Struktura mikropaskowa zawiera dwa zestawy czterech kwadratowych łat promieniujących 31a i 31b rozmieszczonych równoodległe od siebie, równolegle do osi wzdłużnej struktury i zasadniczo symetrycznie względem jej środka. Wszystkie łaty promieniujące 31aFigure 4 shows a particularly advantageous microstrip structure of a sector antenna according to the invention, the center of which is also the connection point of the transmitting or receiving conductor, indicated by an arrow. The microstrip structure comprises two sets of four square radiating patches 31a and 31b spaced equidistant from one another, parallel to the longitudinal axis of the structure and substantially symmetrically about its center. All radiating patches 31a

PL 218 961 B1 i 31b mają prostopadłe do osi wzdłużnej anteny wycięcia kompensacyjne 312, których długość wynosi około 1/3 długości przekątnej elementu promieniującego. Dodatkowo skrajne łaty promieniujące 31b wyposażone są w prostokątne elementy modyfikacji rozpływu prądu 313 równoległe do osi wzdłużnej struktury promieniującej 3 i skierowane do jej środka. Ścieżka zasilająca zawiera dwa rozmieszczone symetrycznie względem środka struktury zestawy pięciu stroików impedancyjnych 321a-321e. W tym przypadku szczeliny „D” pomiędzy równoległymi do ścieżki zasilającej 32 krawędziami obszarów wierzchołkowych 311 łat promieniujących 31 leżą na wspólnej płaszczyźnie łat promieniujących 31 i ścieżki 32.PL 218 961 B1 and 31b have compensation slots 312 perpendicular to the longitudinal axis of the antenna, the length of which is approximately 1/3 of the diagonal length of the radiating element. Additionally, the extreme radiating patches 31b are provided with rectangular current flow modification elements 313 parallel to the longitudinal axis of the radiating structure 3 and directed towards its center. The feed path includes two sets of five impedance reeds 321a-321e symmetrically spaced about the center of the structure. In this case, the gaps "D" between the edges of the apex regions 311 of the radiating staffs 31 parallel to the supply path 32 lie in the common plane of the radiating staffs 31 and the path 32.

Chociaż na rysunku nie przedstawiono niektórych szczegółów konstrukcyjnych anteny, jak na przykład szczegółów zamocowania warstwy dielektrycznej, oczywista jest możliwość wykorzystania dowolnej konstrukcji mocującej nie wpływającej na parametry elektromagnetyczne anteny. Warstwę dielektryczną można na przykład przykleić do płytki ekranującej na przykład za pośrednictwem odpowiedniej taśmy dwustronnie klejącej bądź też zamocować do obudowy anteny, zapewniając odpowiednie odsunięcie struktury mikropaskowej od płytki ekranującej.Although the drawing does not show some of the antenna construction details, such as the dielectric layer mounting details, it is obvious that any mounting structure that does not affect the electromagnetic performance of the antenna can be used. The dielectric layer can, for example, be glued to the shielding plate by means of a suitable double-sided adhesive tape, for example, or attached to the antenna housing, ensuring that the microstrip structure is adequately moved away from the shielding plate.

Powyższych przykładów wykonania nie należy w żadnym przypadku traktować jako wyczerpujących i ograniczających prezentowany wynalazek, którego istota została scharakteryzowana w zastrzeżeniach patentowych.The foregoing embodiments should in no way be construed as exhaustive and limiting of the present invention, the essence of which is characterized in the claims.

Claims

1. Microstrip sector antenna (1) with a polarization substantially perpendicular to its longitudinal axis, having a housing (2) with a metal shielding layer (5) over which there is a dielectric plate (4) on which a microstrip structure ( 3) having a plurality of radiating patches (31) disposed substantially parallel to the antenna feed path (32) equidistant from each other and substantially symmetric to the center of the antenna feed path (32), characterized in that each of said radiating patches (31) has a trapezoidal apex region (311), the shorter base of which is parallel to the feed path (32) and remote from the feed path (32) by a slot (D) electromagnetically coupling the feed path (32) to the radiating staff (31).

2. Microstrip sector antenna according to claim The method of claim 1, characterized in that the electromagnetic coupling slot (D) lies in the common plane of the radiating patches (31) and the feed path (32) of the antenna (1).

3. Microstrip sector antenna according to claim The device of claim 1, characterized in that the electromagnetic coupling slot (D) lies in a plane substantially perpendicular to the plane of the radiating patches (31).

4. Microstrip sector antenna according to claim 1, 3. The radiating patches (31a, 31b) according to claim 1, characterized in that the radiating patches (31a, 31b) have a substantially square shape and compensation cuts (312) on the side opposite to the apex region (311) and substantially perpendicular to the longitudinal axis of the antenna, the length of which is in 1/4 to 1/2 of the diagonal length of the radiating element (31a), and the feed path has two symmetrically spaced sets of orthogonal impedance reeds (321a-321e).

5. Microstrip sector antenna according to claim 1. 4. The beam according to claim 4, characterized in that at least two, preferably extreme, radiating patches (31b) are provided with current flow modification elements (313) parallel to the longitudinal axis of the microstrip structure (3).